Auswirkungen der netzgekoppelten Photovoltaik-Stromerzeugung auf die Stromqualität und Lösungsansätze

3. Der Einfluss der netzgekoppelten Photovoltaik-Stromerzeugung auf die Stromqualität des Stromnetzes

Die Photovoltaik-Stromerzeugung, eine neue Energieform, wird maßgeblich von schwankenden, unregelmäßigen und intermittierenden äußeren Bedingungen wie Beleuchtung, Temperatur und anderen Faktoren beeinflusst, die die Netzstabilität beeinträchtigen. Der DC/AC-Wechselrichter ist eine der wichtigsten Komponenten netzgekoppelter Photovoltaikanlagen. Seine Qualität ist entscheidend dafür, ob die Stromqualität der Photovoltaikanlage die Anforderungen an die Netzeinspeisung erfüllt. Bei der Netzeinspeisung können Probleme wie Oberschwingungen, Spannungsschwankungen, Gleichstromeinspeisung und Inselbetrieb auftreten. Diese Faktoren mindern die Netzqualität und können negative Auswirkungen auf das Stromnetz haben. Im schlimmsten Fall kann dies den sicheren und stabilen Betrieb des Stromversorgungssystems und der Photovoltaikanlage selbst gefährden.

 

3.1 Harmonischer Einfluss

Die photovoltaische Stromerzeugung wandelt Sonnenenergie mittels Photovoltaikmodulen in Gleichstrom um, der anschließend von einem netzgekoppelten Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt wird, um die Netzeinspeisung zu ermöglichen. Im Photovoltaik-System ist der Wechselrichter die Hauptquelle für Oberschwingungen. Der vermehrte Einsatz leistungselektronischer Komponenten in netzgekoppelten Wechselrichtern hat zwar die Informations- und intelligente Systemverarbeitung verbessert, führt aber auch zu einer größeren Anzahl nichtlinearer Lasten. Dies verursacht Wellenformverzerrungen und führt zu einer erhöhten Oberschwingungsbelastung. Die Verzögerung der Schaltgeschwindigkeit des Wechselrichters beeinflusst zudem die dynamische Gesamtleistung des Stromnetzes und verursacht eine geringe Oberschwingungsamplitude. Bei starken Wetteränderungen (Sonneneinstrahlung, Temperatur) erhöht sich die Schwankungsamplitude der Oberschwingungen. Obwohl die Ausgangsstromoberschwingungen eines einzelnen netzgekoppelten Wechselrichters gering sind, überlagern sie sich bei Parallelschaltung mehrerer Wechselrichter, wodurch die zulässigen Ausgangsstromoberschwingungen überschritten werden. Darüber hinaus kann die Parallelschaltung von Wechselrichtern leicht zu Parallelresonanz führen, was wiederum das Phänomen der Kopplungsresonanz zur Folge hat. Dies führt zu einer Erhöhung des spezifischen Oberwellenstroms und dem Problem eines übermäßigen Oberwellengehalts im netzgekoppelten Strom.

Mit Blick auf das Problem der Stromqualität nach dem Anschluss von Photovoltaikanlagen werden effektive Methoden zur Unterdrückung von Oberschwingungen vorgeschlagen:

1) Ausgehend von der Quelle der Oberwellenerzeugung wird die Oberwellenquelle umgestaltet, um die Oberwelleneinspeisung zu reduzieren.

2) Aktive oder passive Filter zur Absorption einer bestimmten Anzahl von Oberwellenströmen.

3) Installieren Sie zusätzliche Oberwellenkompensationsgeräte.

 

3.2 Spannungsschwankungen und -flimmern

In herkömmlichen Verteilungsnetzen führen zeitliche Änderungen der Wirk- und Blindleistung zu Spannungsschwankungen. Bei Photovoltaikanlagen ist die Änderung der Wirkleistung der Hauptfaktor für Spannungsschwankungen und -flimmern am Netzanschlusspunkt. Der maximale Leistungspunkt (HPP) der Photovoltaikmodule, den Kernkomponenten der Anlage, hängt stark von der Strahlungsintensität, dem Wetter, der Jahreszeit, der Temperatur und anderen Faktoren ab. Die zufälligen Änderungen dieser natürlichen Faktoren bewirken starke Leistungsschwankungen, was wiederum häufige Änderungen der Lastleistung innerhalb eines bestimmten Bereichs und somit Spannungsschwankungen und -flimmern beim netzgekoppelten Verbraucher zur Folge hat.

Aktuell bestehen folgende Lösungsansätze für die Probleme der Spannungsschwankungen und des Flimmerns bei Photovoltaikanlagen:

1) Optimierung der Regelungsstrategie von netzgekoppelten Photovoltaik-Wechselrichtern zur Verbesserung der Spannungsstabilität.

2) Die Kurzschlussfestigkeit der Sammelschiene des Umspannwerks erhöhen.

3) Sobald die Kapazität des Photovoltaik-Kraftwerks festgelegt ist, wird dessen Leistungsfaktor erhöht, um die gesamte Wirkleistung zu steigern, wodurch die Änderung der Blindleistung reduziert und die Grenzwerte für Spannungsschwankungen eingehalten werden.

 

3.3 Problem mit der Gleichstromeinspeisung

Ein weiteres zentrales Problem netzgekoppelter Photovoltaik-Anlagen ist die Gleichstromeinspeisung. Diese beeinträchtigt die Netzqualität und hat negative Auswirkungen auf andere Netzgeräte. Die Normen IEEE Std929-2000 und IEEE Std547-2000 legen eindeutig fest, dass der vom netzgekoppelten Erzeugungsgerät ins Netz eingespeiste Gleichstromanteil 0,5 % des Nennstroms des Geräts nicht überschreiten darf. Die Hauptursachen für Gleichstromeinspeisung sind:

Die Streuung des Leistungselektronikbauteils selbst sowie die Inkonsistenz und Asymmetrie der Ansteuerschaltung; 2) Nullpunktdrift und Nichtlinearität der Messgeräte im Hochleistungsregler; 3) Asymmetrie der Leitungsimpedanz jedes Schaltgeräts, Einfluss von parasitären Parametern und parasitären elektromagnetischen Feldern usw.

Die wichtigsten Methoden zur Unterdrückung der Gleichstromeinspeisung sind derzeit: 1) Detektionskompensationsverfahren; 2) Optimierung und Auslegung der netzgekoppelten Struktur des Wechselrichters; 3) Direkte Kondensatortrennung; 4) Virtuelle Kapazitätsmethode; 5) Trenntransformator für das Gerät.

 

3.4 Der Einfluss des Inseleffekts

Der Inselbetrieb beschreibt das Phänomen, dass die Stromversorgung durch menschliche oder natürliche Faktoren unterbrochen wird, die einzelnen netzgekoppelten Photovoltaikanlagen den Stromausfall jedoch nicht rechtzeitig erkennen. Dadurch arbeiten die Photovoltaikanlage und die angeschlossenen Verbraucher weiterhin unabhängig voneinander. Mit der stetig steigenden Verbreitung netzgekoppelter Photovoltaikanlagen erhöht sich die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Inselbetriebs. Dieser beeinträchtigt die Stromqualität des gesamten Verteilungsnetzes erheblich.

1) An Stellen, an denen der Inseleffekt auftritt, schwanken Spannung und Frequenz stark, was die Stromqualität mindert. Spannung und Frequenz im Inselnetz werden nicht vom Stromnetz geregelt, was zu Schäden an den elektrischen Anlagen des Systems und zu Wiedereinschaltfehlern führen kann und auch die persönliche Sicherheit des Wartungspersonals des Stromnetzes gefährden kann.

2) Beim Wiederherstellen der Stromversorgung entsteht aufgrund der Asynchronität zwischen den Spannungsphasen ein Einschaltstrom, der einen plötzlichen Abfall der Netzwellenform verursachen kann.

3) Nach dem Inseleffekt des Photovoltaik-Stromerzeugungssystems kann es, falls die ursprüngliche Stromversorgung einphasig ist, zu einer dreiphasigen Lastasymmetrie im Verteilungsnetz kommen, was die Gesamtqualität des Stromverbrauchs anderer Nutzer mindert.

4) Wenn das Verteilnetz auf Inselbetrieb umschaltet und sich ausschließlich auf die Photovoltaikanlage zur Stromversorgung stützt, kann es bei zu geringer Kapazität des Stromversorgungssystems oder fehlenden Energiespeichern zu Spannungsschwankungen und Flickerproblemen bei den Verbrauchern kommen.

Für die Auswirkungen des Inseleffekts gibt es hauptsächlich folgende Lösungsansätze:

1) Optimierung der Inselerkennungsmethode von netzgekoppelten Photovoltaik-Stromerzeugungssystemen, Analyse des Einflusses der Photovoltaik-Stromerzeugung auf Größe, Richtung und Verteilung des Fehlerstroms im Verteilungsnetz und Verbesserung der Auswahltechnologie für die Lastabschaltgeschwindigkeit und die Inselaufteilung unter Fehlerbedingungen.

2) Verbesserung der Zuverlässigkeit der Inselerkennungstechnologie, Konfiguration einer schnellen und effektiven Anti-Insel-Schutzfunktion, genaue Beurteilung des Inselstatus unter anormalen Umständen und schnelle und effektive Unterbrechung der Netzverbindung.