Wie unterdrückt ein aktiver Leistungsfilter Harmonische in Photovoltaik-Kraftwerken?

Quellen von Harmonischen in PV-Systemen

Photovoltaikanlagen erzeugen tendenziell Oberschwingungen, hauptsächlich aufgrund der nichtlinearen Leistungselektronik in Wechselrichtern und DC-DC-Wandlern. Diese Komponenten verändern die Form elektrischer Ströme beim Energieumwandlungsprozess. Transformatoren, die nahe an ihren magnetischen Sättigungsgrenzen betrieben werden, tragen ebenfalls zu diesem Problem bei, ebenso wie unsymmetrische Drehstromlasten im System. Aktuelle Forschungsergebnisse aus dem Frühjahr 2024 über die Entstehung dieser unerwünschten Frequenzen in grünen Energieanlagen zeigen, dass die meisten Studien den Schnittstellen der Leistungselektronik etwa 72 Prozent aller Oberschwingungsprobleme in modernen Photovoltaikanlagen zuschreiben.

Wie die Schaltvorgänge von Wechselrichtern Oberschwingungsströme erzeugen

Wenn Wechselrichter mit der Pulsweitenmodulation (PWM) schalten, erzeugen sie in der Regel störende Oberschwingungsströme. Die meisten Wechselrichter arbeiten bei ihren Schaltvorgängen im Bereich von etwa 2 bis 20 Kilohertz. Was hier geschieht, ist eigentlich recht einfach – es entstehen verschiedene hochfrequente Stromwelligkeiten sowie charakteristische Oberschwingungskluster direkt um Vielfache der jeweiligen Basis-Schaltfrequenz herum. Betrachten Sie beispielsweise, was passiert, wenn ein 4-kHz-Wechselrichter parallel zu einem Standard-Stromnetz mit 50 Hz betrieben wird. Plötzlich tauchen dominante Oberschwingungen an Stellen wie 4 kHz plus oder minus dem jeweils nächsten Vielfachen von 50 Hz auf. Wenn niemand geeignete Filter installiert, um dieses Problem zu beheben, fließen diese unerwünschten Ströme ungehindert zurück ins Hauptstromnetz. Die Folge? Eine insgesamt schlechtere Spannungsqualität und unnötiger Verschleiß aller anderen Geräte, die an dasselbe Netz angeschlossen sind.

Auswirkung einer hohen PV-Einspeisung auf die Oberschwingungsanteile im Netz

Wenn der PV-Anteil in Verteilnetzen 30 % überschreitet, verstärkt sich die kumulative Oberschwingungsverzerrung aufgrund von:

• Phasenwechselwirkung : Synchronisierte Wechselrichterschaltung verstärkt bestimmte Oberschwingungsfrequenzen
• Netzimpedanz : Höhere Impedanz bei Oberschwingungsfrequenzen erhöht die Spannungsverzerrung
• Resonanzrisiken : Die Wechselwirkung zwischen der Kapazität des Wechselrichters und der Induktivität des Netzes kann resonante Spitzen erzeugen

Feldstudien haben transiente THD-Spitzen über 30 % während schneller Bestrahlungsänderungen gemessen – deutlich über dem 5-%-Spannungs-THD-Grenzwert nach IEEE 519-2022. Diese Bedingungen erhöhen die Transformatorenverluste um 15–20 % und steigern die Leitertemperaturen um 8–12 °C, was die Isolationsalterung beschleunigt und die Lebensdauer der Geräte verkürzt.

Wie aktive Leistungsfilter Oberschwingungen in Echtzeit reduzieren

Einschränkungen passiver Filter in dynamischen PV-Umgebungen

Passive Schwingkreisfilter eignen sich aufgrund ihrer festen Abstimmungseigenschaften nicht für moderne Photovoltaikanlagen. Sie können sich nicht an veränderte Oberschwingungsspektren anpassen, die durch variable Bestrahlungsstärke oder Lastdynamik entstehen. Zu den Hauptnachteilen gehören:

• Unfähigkeit, auf durch Wolken verursachte Oberschwingungsschwankungen zu reagieren
• Risiko von Resonanzen mit netzgekoppelten Wechselrichtern, wie in 63 % der PV-Anlagen beobachtet
• 74 % höhere jährliche Wartungskosten im Vergleich zu aktiven Lösungen (EPRI 2022)

Diese Einschränkungen verringern die Zuverlässigkeit und Effizienz in Umgebungen, in denen sich die Oberschwingungsprofile während des Tages ändern.

Funktionsprinzip des aktiven Leistungsfilters: Echtzeit-Einspeisung von Kompensationsströmen gegen Oberschwingungen

Aktive Leistungsfilter (APFs) verwenden IGBT-basierte Wechselrichter und digitale Signalprozessoren (DSPs), um Oberschwingungen innerhalb von 2 Millisekunden zu erkennen und zu kompensieren. Wie in den Technischen Richtlinien IEEE 519-2022 beschrieben, umfasst der Prozess:

1. Abtastung des Netzstroms mit 20–100 kHz, um den Oberschwingungsgehalt zu erfassen
2. Berechnung von gegenphasigen Oberschwingungsströmen in Echtzeit
3. Einspeisung kompensierender Ströme über hochfrequentes Schalten (10–20 kHz)

Diese dynamische Reaktion ermöglicht es aktiven Leistungsfiltern (APF), die Gesamtoberwellenverzerrung (THD) unter 5 % zu halten, selbst bei hohem PV-Einspeisungsgrad (>80 %) und sich schnell ändernden Erzeugungsprofilen.

Optimale Platzierung eines aktiven Leistungsfilters am gemeinsamen Anschlusspunkt (PCC)

Die Installation von APFs am gemeinsamen Anschlusspunkt (PCC) maximiert die Wirksamkeit der Oberschwingungsunterdrückung, da sowohl durch Wechselrichter verursachte Verzerrungen als auch Störungen aus dem übergeordneten Netz erfasst werden. Diese strategische Platzierung führt zu:

• 8–12 % stärkerer THD-Reduktion im Vergleich zu lastseitigen Konfigurationen
• Gleichzeitige Kompensation von Spannungsflimmern und Phasenunsymmetrie
• 32 % geringerer erforderlicher Filterkapazität durch zentrale Kompensation

Indem sie Oberschwingungen am Schnittstellenpunkt reduzieren, schützen am PCC installierte APFs nachgeschaltete Geräte und gewährleisten die Einhaltung von Vorschriften im gesamten System.

Fortgeschrittene Steuerstrategien für parallele aktive Leistungsfilter in PV-Anlagen

Momentane Wirk- und Blindleistungstheorie (p-q) in der SAPF-Regelung

Die PQ-Theorie bildet die Grundlage dafür, wie Shunt-Aktivleistungsfilter (SAPFs) ihre Funktion bei der Erkennung störender harmonischer und reaktiver Komponenten in elektrischen Lasten ausüben. Was hier geschieht, ist ziemlich elegant: Drei-Phasen-Ströme werden in orthogonale Komponenten namens p (Wirkleistung) und q (Blindleistung) umgewandelt, ausgerichtet am Geschehen auf Netzebene. Dieser Ansatz trifft bei der Trennung harmonischer Anteile aus dem Gemisch etwa neunmal von zehn Mal zu. Sobald diese Referenzsignale ermittelt sind, geben sie dem Wechselrichter des SAPF exakt vor, was kompensiert werden muss – insbesondere die hartnäckigen Harmonischen fünfter und siebter Ordnung, die laut einer im vergangenen Jahr in Nature Energy veröffentlichten Studie besonders häufig in durch Solaranlagen gespeisten Netzen auftreten.

Stabilitätsverbesserung durch DC-Zwischenkreis-Spannungsregelung

Die Aufrechterhaltung einer stabilen Zwischenkreisspannung ist entscheidend, um eine konsistente Leistung von SAPFs zu gewährleisten. Typischerweise verwendet das System einen sogenannten Proportional-Integral-Regler, um die Balance zu halten. Dieses Gerät steuert die Spannung am DC-Zwischenkreiskondensator, indem es die Menge an Wirkleistung reguliert, die zwischen der Anlage und dem elektrischen Netz ausgetauscht wird. Tests zeigen, dass dieser Ansatz die Spannungsrippel um etwa 60 Prozent im Vergleich zu unregulierten Systemen reduziert. Was bedeutet das praktisch? Es hilft dabei, eine korrekte Oberschwingungskompensation aufrechtzuerhalten, selbst wenn Probleme wie Teilverschattung oder plötzliche Änderungen der Sonneneinstrahlungsintensität auftreten. Solche Probleme treten in großen Solarparks häufig auf, weshalb eine gute Spannungsregelung für einen reibungslosen Betrieb unerlässlich ist.

Neue Entwicklungen: Adaptive und KI-basierte Regelung in parallelen aktiven Leistungsfiltern

Die neuesten SAPF-Modelle kombinieren nun künstliche neuronale Netze mit modellbasierten prädiktiven Regelungstechniken, um das harmonische Verhalten basierend auf vergangenen Ausgangsleistungen von Solarpanelen und Netzinformationen vorherzusagen. Was diese intelligenten Systeme auszeichnet, ist ihre Fähigkeit, 30 Prozent schneller zu reagieren als herkömmliche Methoden, und dabei die Schaltfrequenzen automatisch zwischen 10 und 20 kHz zu variieren, um eine bessere Leistungsanpassung zu erreichen. Praxisnahe Tests haben gezeigt, dass bei Einbindung von KI in den SAPF-Betrieb die gesamte harmonische Verzerrung konstant unter 3 % bleibt, was laut aktueller Steuerungssystemforschung der IEEE in verschiedenen Betriebsszenarien sogar die strengen Vorgaben der IEEE 519-2022 übertrifft.

Ergänzende Verfahren zur Reduzierung von Oberschwingungen für verbesserte APF-Leistung

Vorfilter-Lösungen: Mehrfachpuls-Wechselrichter und LCL-Filter

Mehrpuls-Wechselrichter reduzieren die Erzeugung von Oberschwingungen direkt an der Quelle durch den Einsatz phasenverschobener Transformatorwicklungen. Sie können die störenden 5. und etwa 7. Oberschwingungen um 40 bis möglicherweise sogar 60 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen 6-Puls-Konstruktionen verringern. Fügt man heutzutage einen LCL-Filter hinzu, zeigt sich die nächste Wirkung. Diese Filter unterdrücken hochfrequentes Schaltrauschen oberhalb der Marke von etwa 2 kHz äußerst effektiv. Zusammen entlasten sie die nachgeschalteten aktiven Oberschwingungsfilter (APF) erheblich. Für Fachleute in der Solartechnik macht diese mehrschichtige Filterstrategie die Einhaltung der strengen IEEE 519 2022-Standards deutlich einfacher. Einige Studien von IntechOpen belegen dies und zeigen Verbesserungen von etwa 15 % bis hin zu maximal 30 % bessere Konformitätsraten.

Hybride Ansätze: Kombination von Zig-Zag-Transformatoren mit aktiven Leistungsfiltern

Der Zickzacktransformator leistet eine ziemlich gute Arbeit bei der Unterdrückung jener lästigen Oberschwingungen der Nullsystemreihenfolge, auch Triplen genannt (denken Sie an die 3., 9., 15. Ordnung). Genau diese kleinen Störenfriede verursachen Probleme mit überlasteten Neutralleitern in dreiphasigen Photovoltaikanlagen. Kombiniert man diese Transformatoren mit aktiven Leistungsfiltern, ergibt sich laut diverser Netzanschlussprüfungen eine Reduktion der niederfrequenten Oberschwingungen unterhalb von 1 kHz um etwa 90 Prozent. Was diese Kombination so interessant macht, ist die Tatsache, dass Ingenieure dadurch ihre aktiven Leistungsfilter (APF) oft um die Hälfte oder sogar noch stärker dimensionieren können. Und kleinere APFs bedeuten erhebliche Einsparungen bei den Anschaffungskosten sowie sinkende laufende Wartungsausgaben.

Integration intelligenter Wechselrichter-Firmware zur proaktiven Unterdrückung von Oberschwingungen

Die neueste Generation netzbildender Wechselrichter hat damit begonnen, prädiktive Algorithmen zur Unterdrückung von Oberschwingungen einzusetzen und passt ihre Modulationsstrategien innerhalb von weniger als fünf Millisekunden an. Diese intelligenten Geräte kommunizieren über IEC-61850-Standards mit aktiven Leistungsfiltern und können so Wellenformprobleme direkt an der Entstehungsstelle beheben, anstatt zuzulassen, dass sich die Probleme stromabwärts verstärken. Praxisnahe Tests zeigen ein interessantes Phänomen, wenn Systeme auf diese Weise zusammenarbeiten: Die gesamte Oberschwingungsverzerrung sinkt selbst bei plötzlichen Änderungen der Sonneneinstrahlung unter 3 Prozent – eine bemerkenswerte Leistung, wenn man bedenkt, wie empfindlich Solaranlagen sein können. Hinzu kommt ein weiterer erwähnenswerter Vorteil: Der aktive Leistungsfilter schaltet sich 40 % seltener ein und aus als zuvor. Das bedeutet eine längere Lebensdauer der Anlagenteile und eine bessere Gesamteffizienz des Stromversorgungssystems.

Bewertung der Leistung und des wirtschaftlichen Nutzens aktiver Leistungsfilter in PV-Anlagen

Messung der Effektivität: Fallstudien zur Einhaltung von IEEE 519-2022 und THD-Reduktion

Photovoltaikanlagen benötigen aktive Leistungsfilter, um den IEEE 519-2022-Standards zu entsprechen, die eine Gesamtharmonischen-Spannungsverzerrung (THD) von 5 % an Anschlusspunkten vorschreiben. Im praktischen Betrieb senken diese APFs den THD-Wert typischerweise von etwa 12 Prozent auf nur noch 2 oder 3 Prozent in den meisten kommerziellen Solaranlagen. Dadurch wird verhindert, dass Geräte überhitzen, und es werden jene störenden Wellenformverzerrungen unterbunden, die Systeme im Laufe der Zeit beschädigen können. Bei einer Untersuchung aus dem Jahr 2023, bei der Forscher sieben große Solarparks analysierten, zeigte sich Folgendes: Nach der Installation von APFs stieg die Einhaltung der Netzanschlussbedingungen dramatisch von knapp über der Hälfte (etwa 58 %) auf nahezu vollständige Konformität mit 96 %. Fachleute, die sich regelmäßig mit Fragen der Energiequalität beschäftigen, weisen zudem auf einen weiteren Vorteil hin: Diese Filter arbeiten auch dann noch recht effektiv, wenn das System nicht mit voller Leistung läuft – manchmal sogar bei nur 30 % Auslastung – was sie besonders gut für den Einsatz in Solaranlagen geeignet macht, wo die Energieerzeugung aufgrund natürlicher Gegebenheiten im Tagesverlauf schwankt.

Langzeit-Feldleistung: Aktiver Leistungsfilter in einer deutschen Solaranlage

Eine 34 Megawatt starke Photovoltaikanlage in Deutschland zeigte über einen Zeitraum von knapp unter viereinhalb Jahren eine beeindruckende Leistung ihres aktiven Leistungsfiltersystems. Die Gesamtharmonischen Verzerrung blieb dabei konstant unter 3,8 %, selbst als die Leistung der Anlage zwischen 22 % und 98 % der Kapazität schwankte. Bemerkenswert an dieser Leistung ist, dass das intelligente Steuersystem den Austausch von Kondensatorbänken im Vergleich zu herkömmlichen passiven Methoden um etwa drei Viertel reduzierte. Bei Betrachtung der Verfügbarkeitsstatistik arbeitete der aktive Filter mit einer erstaunlichen Verfügbarkeit von 98,6 %, was die Leistung der meisten passiven Filter unter vergleichbaren Wetterbedingungen (üblicherweise zwischen 91 % und 94 %) übertrifft. Die Wartungsteams meldeten zudem, dass sie etwa 40 % seltener eingreifen mussten als bei älteren, auf Drosseln basierenden Filterverfahren, was langfristig zu erheblichen Kosteneinsparungen führte.

Kosten-Nutzen-Analyse: Abwägung der anfänglichen Investition gegen Einsparungen durch Netzstrafen

APFs haben definitiv eine höhere Anschaffungskosten, normalerweise etwa 25 bis 35 Prozent mehr als herkömmliche passive Filter. Doch hier kommt der Haken: Sie sparen Betrieben jährlich zwischen achtzehntausend und fünfundvierzigtausend Dollar an den lästigen Netzstrafzahlungen aufgrund von Oberschwingungen ein. Nehmen wir beispielsweise eine typische 20-Megawatt-Anlage – die eingesparten Kosten decken die zusätzlichen Ausgaben bereits in knapp unter vier Jahren ab. Viele Unternehmen kombinieren mittlerweile APFs auch mit ihren bestehenden LCL-Filtern. Dieser hybride Ansatz senkt die Kosten für die Gegenmaßnahmen um etwa neunzehn Cent pro Watt Spitze im Vergleich zur ausschließlichen Nutzung passiver Systeme. Zudem behandeln Aufsichtsbehörden APFs zunehmend als echte Sachanlagen, die über einen Zeitraum von sieben bis zwölf Jahren abgeschrieben werden können. Dadurch ergeben sich finanzielle Vorteile gegenüber herkömmlichen Lösungen, die ganze fünfzehn Jahre benötigen, um abgeschrieben zu sein. Die Rechnung geht für die meisten Betriebe einfach besser auf, wenn langfristige Einsparungen im Fokus stehen.

FAQ

Was verursacht Oberschwingungen in photovoltaischen Systemen?

Oberschwingungen in photovoltaischen Anlagen werden hauptsächlich durch nichtlineare Leistungselektronik in Wechselrichtern und DC-DC-Wandlern verursacht. Weitere Quellen sind Transformatoren nahe ihrer magnetischen Sättigungsgrenze sowie unsymmetrische dreiphasige Lasten.

Wie erzeugen Wechselrichter Oberschwingungsströme?

Wechselrichter, die die Pulsweitenmodulation (PWM) verwenden, erzeugen beim Schalten Oberschwingungsströme, wodurch hochfrequente Welligkeiten und Oberschwingungsgruppen um Vielfache der grundlegenden Schaltfrequenz entstehen.

Welche Auswirkungen hat eine hohe PV-Durchdringung auf Netzoberwellen?

Mit zunehmender PV-Durchdringung verstärkt sich die Oberschwingungsverzerrung aufgrund von Phasenwechselwirkungen, Netzimpedanzen und Resonanzgefahren, was zu erhöhten Transformatorverlusten und höheren Leitertemperaturen führt.

Wie helfen aktive Leistungsfilter bei der Minderung von Oberschwingungen?

Aktive Leistungsfilter (APFs) erkennen und kompensieren Oberschwingungen mithilfe IGBT-basierter Wechselrichter und digitaler Signalprozessoren (DSPs) und reduzieren die Gesamtoberwellenverzerrung auf unter 5 %, selbst bei hoher Solareinspeisung.

Welche Vorteile bietet die Installation von aktiven Oberschwingungsfiltern (APF) am gemeinsamen Anschlusspunkt (PCC)?

Die Installation von APFs am PCC behebt sowohl durch Wechselrichter verursachte Verzerrungen als auch Netzstörungen, was zu einer stärkeren Reduzierung des Gesamtklirrfaktors (THD) und gleichzeitiger Korrektur von Spannungsflimmern führt.