Fraunhofer ISE: Prüfstand für Photovoltaik-Wechselrichter mit integrierten Lichtbogendetektoren

Serielle Lichtbögen in Photovoltaik-Anlagen können als Folge von Kontaktproblemen entstehen. Kontaktprobleme können fehlerhafte Lötstellen im PV-Modul oder in der Gleichstromverdrahtung des Wechselrichters verursachen. Die Gefahr besteht darin, dass hohe Temperaturen an fehlerhaften Kontaktstellen im Ernstfall zum Brand der Photovoltaik-Anlage führen können. Im Photovoltaik-Wechselrichter integrierte Lichtbogendetektoren erhöhen daher die Sicherheit von Solaranlagen, weil sie bei Lichtbögen die Anlage automatisch stromlos schalten. Mit der nun veröffentlichten internationalen Norm IEC 63027 kann man die Detektoren zuverlässiger und realitätsnaher testen. Das Fraunhofer ISE war an der Entwicklung der Prüfnorm beteiligt, die am 3.Mai 2023 erschienen ist. Zudem hat das Institut hat einen modularen Prüfstand entwickelt, mit dem man Photovoltaik-Wechselrichter mit integrierten Lichtbogendetektoren testen kann.

Wechselrichter mit integrierten Lichtbogendetektoren in den USA Vorschrift

Dass der Lichtbogen zu einem Stromsprung im Wechselrichter oder einem charakteristischen breitbandigen Rauschen führt, machen sich Lichtbogendetektoren (LBD) in Wechselrichtern zu Nutze. Sie erkennen den Lichtbogen und schalten die Anlage stromlos, bevor eine kritische Energie erreicht wird. Diese Detektoren sind in den USA bereits seit 2011 Vorschrift in neu installierten PV-Anlagen. „Nationale und internationale Studien haben gezeigt, dass Lichtbögen in PV-Anlagen mit einer hohen Installationsqualität sehr selten auftreten. Auf freiwilliger Basis bieten jedoch auch Hersteller auf dem europäischen Markt Lichtbogendetektoren an. Einige Gebäudeversicherer haben aus Brandschutzgründen darauf gepocht“, sagt Felix Kulenkampff vom Fraunhofer ISE, der in der Normungskommission gemeinsam mit Vertretern aus Industrie, Prüfgesellschaften und Wissenschaft die neue IEC-Norm entwickelt hat. Sie räumt einige Schwächen der alten US-Norm aus, die den Realbetrieb nicht ausreichend realitätsnah simulierte. Dadurch blieben viele Lichtbögen unerkannt, weil sie die Grenzwerte nicht erreichten, oder aber es wurden Fehlalarme ausgelöst.

Prüfstand soll Lichtbogen realitätsnah abbilden

„Ein realitätsnaher Prüfaufbau kann das Risiko von nicht erkannten Lichtbögen und Fehlauslösungen deutlich senken. Im Test sollte der Lichtbogen möglichst realistisch und unter wiederholbaren Bedingungen gezündet werden können“, so Kulenkampff. Für den Test gemäß IEC-Norm 63027, dessen grundlegende Parameter mit der überarbeiteten US-Norm UL 1699B übereinstimmen, setzt man anstelle echter PV-Module eine elektronische DC-Quelle als PV-Simulator ein. Der Strom fließt vom PV-Simulator über eine präzise trennbare Kontaktstelle in den Wechselrichter. Die Kontaktstelle bilden zwei Elektroden aus Wolfram in Form eines Kugelgelenks, die man mit einer definierten Geschwindigkeit auseinanderzieht. So kann man einen charakteristischen Lichtbogen zünden. Für den Testablauf kann man feste Testparameter wie den Elektrodenabstand und die Geschwindigkeit einspeichern und anwählen. Damit das Messergebnis nicht durch den PV-Simulator beeinflusst wird, ist zwischen Wechselrichter und simulierter PV-Anlage ein Filternetzwerk geschaltet.

Maßgeblich für das ordnungsgemäße Funktionieren vom Wechselrichter mit integrierten Lichtbogendetektoren ist die Zeit bis zum Abschalten des Wechselrichters. Je kürzer ein Lichtbogen brennt, desto geringer ist der Energieeintrag in die fehlerhafte Kontaktstelle. Das heißt, dass kurze Abschaltzeiten eine Brandentstehung sicher verhindern. Bei einer Energie zwischen 200 und 750 Joule und einer Abschaltzeit unter 2,5 Sekunden hat der Detektor die Prüfung bestanden. Eine automatische Wiederzuschaltung nach Detektor-Auslösung ist innerhalb von 24 Stunden vier Mal erlaubt, beim fünften Mal muss sie manuell erfolgen.

Der im TestLab Power Electronics aufgebaute Prüfstand setzt nicht nur die genannten Testanforderungen normgerecht um, sondern erlaubt darüber hinaus dank des modularen Aufbaus verschiedene Testszenarien für String-Wechselrichter mit unterschiedlich verschalteten PV-Modulstrings. Auch der Test von Modul-Wechselrichtern und Strang-Sammlern ist möglich. Der Prüfstand ist für Wechselrichter-DC-Spannungen bis 1.500 V geeignet, er verfügt über drei DC-Eingänge für bis zu 16 A und einen DC-Eingang für bis zu 32 A.

„Mit dem neuen Prüfstand erweitern wir das Angebot unseres TestLabs Power Electronics, in dem wir akkreditierte Prüfungen gemäß Netzanschlussrichtlinien, Wirkungsgradmessungen sowie Impedanzspektroskopie-Untersuchungen von Wechselrichtern durchführen können“, so Steffen Eyhorn, Leiter des TestLabs Power Electronics.

Forschung und Entwicklung zu Lichtbögen auch in anderen Anwendungen

Nicht nur für die Photovoltaik, sondern auch für andere Technologien wie Batterietechnik, Luftfahrt oder Elektromobilität ist der Schutz vor Schäden durch Gleichstromlichtbögen relevant. In allen Anwendungen ist eine Tendenz zu höheren Spannungen zu sehen. Die Wahrscheinlichkeit von elektrischen Überschlägen und daraus resultierenden parallelen oder seriellen Lichtbögen nimmt damit zu. Im Rahmen abgeschlossener und laufender Forschungsprojekte adaptiert das Fraunhofer ISE die Erfahrungen aus dem PV-Bereich auch auf diese Anwendungen, um für verschiedene Branchen Beratungsdienstleistungen anzubieten. Während der The smarter E München / Intersolar, präsentieren die Forschenden des Fraunhofer ISE ihre Dienstleistungen zu Lichtbogendetektion und anderen Photovoltaik-und Leistungselektronikthemen.

Kürzlich hat das Fraunhofer ISE seien Testmöglichkeiten mit einen großen Freiland-Testfeld erweitert.

15.5.2023 | Quelle: Fraunhofer ISE | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH