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Photovoltaik und Blindstrom

Im Zusammenhang mit der Realisierung von grossen Photovoltaikanlagen werden in letzter Zeit häufig überhöhte Kosten für den Blindstrombezug aus dem Netz beklagt. Was ist dran, was ist die Ursache, wie löst man das rasch und wie wird man das in Zukunft lösen?

Mit grossem Tatendrang werden in den vergangenen Jahren Photovoltaikanlagen realisiert. Oft sind die Anlagen so gross, dass sie einen wesentlichen Teil des eigenen Bedarfes und zeitweise sogar deutlich mehr Leistung erzeugen. Das ist gut so und wichtig für die Energiewende. Böses Erwachen gibt es aber, wenn plötzlich hohe Rechnungen für Blindstrom ins Haus flattern.

Von wo kommt dieser Blindstrom?

Wir reden hier nicht von der Q/U-Regelung, die für grössere PV-Anlage vorgeschrieben ist, um die Netzspannung zu stützen.

Abbildung 1: Typische Situation

In grösseren Betrieben ist oft eine zentrale Blindstromkompensation vorhanden. Diese besteht aus meistens verschieden grossen Kompensationsstufen aus Kondensatorenbatterien die über einen Regler so kombiniert zugeschaltet werden, damit der Leistungsfaktor um ca. 0.92 zu liegen kommt. Wegen der vorhandenen Oberschwingungen sind diese Kondensatorenstufen mit einer Drosselspule zu einem stark verstimmten Schwingkreis verschaltet. Stark verstimmt ist dabei die Resonanzfrequenz zu den typischen Oberschwingungen und zu Rundsteuersignalen. Soweit die seit 40 Jahren bewährte Technik. Klar gab es auch vor den 1980er Jahren Blindstromkompensationen, die waren aber nicht verdrosselt.

Zur Regelung der Blindleistung ist ein Blindleistungsregler erforderlich. Ein Stromwandler und eine Spannungsmessung nimmt die Regelgrösse, also den Leistungsbezug in der Einspeisung auf. Das geschieht einphasig, da mit guter Näherung am Netzeinspeisungspunkt Symmetrie angenommen werden kann.

Wird nun durch eine Photovoltaikanlagen Wirkleistung eingespeist, sinkt der Wirkanteil der vom Netz bezogenen Leistung. Da die Blindleistung unverändert bleibt, wird der Phasenverschiebungswinkel phi grösser und die Blindleistung regelt hoch, bis alle Stufen zugeschaltet sind. (Siehe Abb. 2).

Abbildung 2: Zeigerdiagramm mit PV-Anlage kleiner als Last

Steigt die von der PV-Anlage gelieferten Wirkleistung weiter an, wird der Phasenverschiebungswinkel zwischen Wirkleistung und Scheinleistung weiter ansteigen und das führt zu den beklagten Kosten, da die Blindstromkompensationsanlage nicht weiter Kondensatoren zuschalten kann.

Wird nun zum Beispiel im Sommer bei klarem Wetter die Spitzenleistung eingespeist, was weit über der Netzbezugsleistung liegen kann, dreht sich bei der Messung der Blindleistungsregelung die Energierichtung. Damit kann die Blindleistungsregelung meistens nicht umgehen. Dazu schauen wir uns das Zählpfeilsystem im 4-Quadrantenbetrieb an.

Abbildung 3: Zählpfeilsystem im 4-Quadrantbetrieb

In Abb. 3 ist die Blindleistung nach oben positiv und nach unten negativ dargestellt. Die Wirkleistung ist nach rechts positiv und nach links negativ dargestellt. Die positive Richtung entspricht der Richtung des Verbrauchs und negativ ist die Richtung der Erzeugung. Übererregte Synchrongeneratoren und Kondensatoren sind also Blindleistungserzeuger.

Erweitern wir nun die Abbildung 2 nach links mit der generatorischen Seite, erhalten wir die Abb. 4. Sie zeigt uns die Rückspeisung bei gleichbleibender induktiver Last.

Abbildung 4: Zeigerdiagramm mit PV-Anlage grösser als Last

Das wollen wir nun an einem Beispiel berechnen:
Last im Gebäude: 500 kW, 666 kVA
Daraus die Blindleistung:
Gl. 1:

\[Q=\sqrt{S^{2}-P^{2}} \ =\ \sqrt{(666\ kVA)^{2}+(500\ kW)^{2}} =440\ kvar \]

Blindleistungskompensation:
Gl. 2:
\[Q_{c}=P\cdot (tan\varphi_{1} \ -tan\varphi_{2} )=500\ kW\ (tan\varphi_{1} \ -tan\varphi_{2} )=195\ kvar\]

Mit dieser Kondensatorleistung erreichen wir einen cos phi von 0.9 und eine effektive Blindleistung von 242 kVar, die vom Verteilnetzbetreiber geliefert werden muss. Diese Blindleistung wird vom Verteilnetzbetreiber in der Regel kostenlos erbracht und ist Teil der Systemdienstleistung.

Die Rückspeisung ist die Vektorsumme aus bezogener Leistung und erzeugter Leistung. Die Wirkleistung ist reelwertig, daher können die Werte mit Vorzeichen addiert werden.
Rückspeisung:
Gl. 3:
\[P_{R}=P_{V}+(-P_{PV}\ )=\ 500\ kW-650\ kW=-150\ kW\]

Der Imaginärteil, also die Blindleistung bleibt dabei unverändert, vorausgesetzt die Kondensatoren bleiben alle eingeschaltet (was nicht sicher gegeben ist und von Hard- und Software der Regler abhängt). Die Händler können dazu keine Angaben machen.1

Nun wollen wir wissen, wie gross nun der Verschiebungswinkel und damit der cos phi wird:

Gl. 4
\[tan\varphi =\frac{Q}{P} =1.61\ (Steigung\ im\ rechtwinkligen\ Dreieck)\]

Denn Tangens rechnen wir in einen Winkel und schliesslich in den Cosinus um.

Der cos phi von 0.52 ruft eine Scheinleistung von 285 kVA hervor. Noch schlechter sieht es aus, wenn die Kondensatoren infolge der Umkehrung der Energierichtung abschalten:

Setzen wir nun in Gl. 4 an Stelle des kompensierten Blindstromes den vollen unkompensierten Blindstrom 440 kvar ein, dann wird der Leistungsfaktor auf 0.32 fallen und die Scheinleistung auf 465 kVA steigen. Das klingt jetzt erst einmal nach extrem viel.

Die PV-Anlagen kann aber auch Blindleistung liefern, nämlich im Umfang von cos phi 0.9 Das bedeutet bei 650 kW Wirkleistung eine Scheinleistung von 722 kVA bzw. 315 kvar.

Gl. 5
\[\begin{gathered}S=P\ \cdot \ cos\ \varphi \ =650\ kW\ \cdot \ 0.9\ =\ 722\ kVA\ Q=\sqrt{S^{2}-P^{2}} =((722\ kVA)^{2}-(650\ kW)^{2})^{0.5}\end{gathered}\]

Die PV-Wechselrichter kompensieren die Blindleistung von 440 kvar auf 125 kvar. In Bezug auf die Leistung die zurückgespeist wird, ist das aber viel und das wirkt sich auf die Energierechnung aus.

Die resultierende Scheinleistung am Anschlusspunkt, die zurückgespeist wird beträgt nun 195 kVA bei einem cos phi von 0.77.

Somit haben wir alle Berechnungsgrundlagen zusammen, die für die Optimierung erforderlich sind.

Was tun?

Ist die PV-Anlage kleiner als der Netzbezug ohne PV-Anlage, wird die PV-Anlage vor dem Wandler aber nach dem Zähler für die Blindstromkompensation angeschlossen. (siehe Abb. 5)

Abbildung 5: Verbesserte Situation

Ist die PV-Anlage grösser als der Netzbezug ohne PV-Anlage, so ist ein Blindleistungsregler erforderlich, der im 4-Quadrantenbetrieb arbeitet. Diese Regler sind für Kompensationen in Netzen mit Eigenstromerzeugungsanlagen geeignet.

Mit einem separaten Zähler für die PV-Einspeisung wird diese zu einem unabhängigen Kraftwerk. Damit funktioniert die Blindstromkompensation normal wie bisher. Allerdings kann auf diese Weise die Energie nicht selbst genutzt werden. (Abb. 6)

Abbildung 6: Separater Zähler

Interessant wird es aber, wenn stattdessen der Wechselrichter überdimensioniert wird, sodass dieser die Blindleistungskompensation übernimmt. In der Dunkelphase muss dann die bisherige Blindstromkompensation übernehmen. Bei Neuanlagen empfiehlt sich auch ein Wechselrichter in Betracht zu ziehen, der auch Blindleistung kompensieren. Je nach Situation ist ein separater AC-gekoppelter Speicher oder ein PV-integrierter DC-gekoppelter Speicher (auch Hybridwechselrichter genannt) als Alternative sinnvoll.

Fazit

Ein gutes Energiekonzept beinhaltet in Zukunft eine Gesamtsicht über den Wirk- und Blindleistungsbedarf.

Die Blindleistung wird im Wechselrichter erzeugt. Viele Wechselrichter könnten sogar ihre gesamte Nennleistung als Blindleistung abgeben; auch in der Dunkelphase, wenn der Wechselrichter kein Solarstrom von den Panels bekommen. (Abb. 7)

Abbildung 7: PV-Wechselrichter und Blindleistung

Damit der PV-Wechselrichter bedarfsgerecht Blindleistung erzeugen kann, braucht es einen Blindleistungsregler, der den Wechselrichter entsprechend dem Bedarf ansteuert. ABB hatte hierzu im Rahmen eines Pilotprojektes des BFE eigens ein Regler entwickelt. Die Beeinflussung der Wirkleistungsabgabe sei zwar gering, dennoch wird empfohlen, die PV-Wechselrichter, die zur Blindstromerzeugung verwendet werden, etwa 10 % grösser zu dimensionieren wie üblich, ist im Projektbericht vom BFE 2 zu lesen.

Zum Schluss wage ich noch eine steile These: PV-Anlagen die nur auf die Einspeisung von Wirkleistung optimiert sind, werden in naher Zukunft verschwinden bzw. werden zunehmend eine suboptimale Lösung darstellen, wenn in einem Betrieb grössere Mengen an Blindstrom durch induktive oder kapazitive Verbraucher benötigt werden.

Übrigens:
VAr oder var? Laut Art. 18 der Einheitenverordnung ist das Kürzel für die Einheit der Blindleistung (Var von ursprünglich Voltampère réactif (fr.)) klein zu schreiben: var. Didaktisch sinnvoller und logischer wäre allerdings VAr, in Anlehnung an die Einheit der Scheinleistung (VA).

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