Photovoltaik-Wissen
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Oberschwingungen durch Wechselrichter sind ein zentrales Thema im Bereich der erneuerbaren Energien und Netzqualität. Wenn Photovoltaikanlagen Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom umwandeln, entstehen zwangsläufig Verzerrungen des reinen Sinussignals.
Was sind Oberschwingungen?
Oberschwingungen sind Vielfache der Grundfrequenz von 50 Hz. Ein perfektes Sinussignal besteht ausschließlich aus der Grundwelle. In der Realität erzeugen elektronische Geräte wie Wechselrichter jedoch zusätzliche Frequenzen:
- 3. Harmonische: 150 Hz
- 5. Harmonische: 250 Hz
- 7. Harmonische: 350 Hz
- 11. Harmonische: 550 Hz
Je höher der Anteil dieser Oberwellen, desto stärker ist das Signal verzerrt. Der THD-Wert (Total Harmonic Distortion) quantifiziert diese Verzerrung als Prozentwert der Grundwelle.
Ursachen bei Wechselrichtern
Schaltungsbedingte Faktoren
Wechselrichter arbeiten mit Leistungselektronik wie IGBTs oder MOSFETs. Diese schalten mit hoher Frequenz, um den Gleichstrom zu pulsieren und angenäherte Sinuswellen zu erzeugen. Das resultierende Signal weist typischerweise:
- Steuerungsverfahren: PWM-Modulation erzeugt inhärente Oberwellen
- Topologie: Bestimmte Schaltungskonzepte begünstigen bestimmte Harmonische
- Betriebspunkt: Teillastbetrieb verändert das Spektrum deutlich
Moderne String-Wechselrichter erreichen THD-Werte zwischen 2-5% am Ausgang – deutlich besser als ältere Generationen mit Werten über 8%.
Netzbedingte Verstärkungseffekte
Das Niederspannungsnetz selbst kann Oberschwingungen durch Wechselrichter verstärken. Resonanzen zwischen:
- Leitungsimpedanzen
- Kondensatorbänken zur Blindleistungskompensation
- Induktivitäten von Transformatoren
führen zu Überhöhungen einzelner Harmonischer. Besonders die Resonanzfrequenz zwischen Induktivität und Kapazität kann problematisch werden.
Auswirkungen auf das Netz
Oberschwingungen durch Wechselrichter verursachen verschiedene negative Effekte:
| Effekt | Beschreibung |
|---|---|
| Zusatzverluste | Erhöhte Stromwärmeverluste in Leitungen und Transformatoren |
| Spannungsverzerrung | Beeinträchtigung empfindlicher elektronischer Geräte |
| Fehlauslösung | Schutzrelais sprechen unnötig an |
| Lebensdauer | Reduzierte Lebensdauer von Kondensatoren und Motoren |
Besonders kritisch: Die Erwärmung von Nullleitern durch Addition ungerader Dreier-Harmonischer (3., 9., 15.).
Grenzwerte und Normen
Die DIN EN 61000-3-2 definiert Grenzwerte für Oberschwingungsströme. Für Wechselrichter gelten je nach Leistungsklasse unterschiedliche Anforderungen:
- Bis 16 A pro Phase: Klassifizierung nach Geräteklasse A-D
- Über 16 A: Anschlussbedingungen nach D-A-CH-CZ-Richtlinie oder BDEW-Mittelspannungsrichtlinie
der THD am Verknüpfungspunkt darf typischerweise 8% nicht überschreiten, bei einzelnen Harmonischen gelten striktere Limits.
