Oktober 2009

SMA verschiebt die Phase

Warum Blindleistung wichtig und richtig ist - und mit SMA Technik kein Problem

Blindleistung entsteht eigentlich immer, wenn Energie mithilfe von Wechselstrom übertragen wird. Ihre Bedeutung für Solarteure und Anlagenbetreiber nimmt zu, bei Groß- und auch bei Kleinanlagen. Wichtigste Erkenntnis: Blindleistung ist überhaupt kein Problem. Für einige Probleme ist sie sogar die Lösung.

Zum 1. Juli 2010 wird es ernst: Solar-Anlagen, die auf Mittelspannungsebene einspeisen, müssen ab diesem Zeitpunkt Blindleistung bereitstellen können – so steht es in der 2008 überarbeiteten Mittelspannungsrichtlinie des Bundesverbands der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW). Für das Niederspannungsnetz werden sogar noch weitergehende Anforderungen diskutiert. Grund genug, sich mit dem Thema näher zu befassen: Was ist Blindleistung? Wofür ist sie gut? Was wird von PV-Anlagen gefordert? Und welche Lösungen bietet SMA?

Blindleistung einfach erklärt

Als Erklärmodell für Blindleistung kann man die Einnahmen und Ausgaben eines fiktiven Betriebes betrachten: Im Januar nimmt er 10.000 Euro ein, im Februar fallen Ausgaben von 10.000 Euro an. In den folgenden Monaten wiederholt sich das Ganze. Trotz monatlich 10.000 Euro Kontoumsatz ist der durchschnittliche Gewinn gleich Null – reine Blindleistung, könnte man sagen. Doch wie entsteht so etwas im Wechselstromnetz?

Wie entsteht Blindleistung?

Beim Gleichstrom sind die Verhältnisse noch einfach: Leistung ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke. Beim Wechselstrom liegen die Dinge jedoch komplizierter, denn Stärke und Richtung von Stromfluss und Spannung ändern sich hier regelmäßig. Im öffentlichen Stromnetz haben beide einen sinusförmigen Verlauf mit einer Frequenz von 50 bzw. 60 Hertz. Solange Strom und Spannung „in Phase“ sind, also quasi im Gleichschritt schwingen, ergibt das Produkt der beiden pulsierenden Größen eine ebenfalls pulsierende Leistung mit positivem Durchschnittswert – reine Wirkleistung (Abb. 1a).

Abb. 1a: Ohne Phasenverschiebung ergibt das Produkt aus Strom i und Spannung u eine pulsierende, aber immer positive Leistung – reine Wirkleistung.

Sobald aber die sinusförmigen Verläufe von Strom und Spannung gegeneinander verschoben sind, ergibt ihr Produkt eine Leistung mit abwechselnd positivem und negativem Vorzeichen. Im Extremfall sind Strom und Spannung zeitlich um eine Viertelperiode verschoben: Die Stromstärke erreicht ihren Maximalwert immer dann, wenn die Spannung Null beträgt – und umgekehrt. Das Ergebnis: Reine Blindleistung, die positiven und negativen Leistungsanteile heben sich vollständig auf (Abb. 1b).

Abb. 1b: Bei 90 Grad Phasenverschiebung zwischen Strom i und Spannung u ergibt sich abwechselnd positive und negative Leistung mit dem Durchschnittswert Null – reine Blindleistung.

Die angesprochene Verschiebung nennt man auch Phasenverschiebung, wobei sie naturgemäß zwei Richtungen haben kann. Sie entsteht, wenn sich Spulen oder Kondensatoren im Wechselstromkreis befinden – und das ist eigentlich immer der Fall: Alle Motoren oder Transformatoren enthalten Spulen (sorgen für induktive Verschiebung), Kondensatoren (sorgen für kapazitive Verschiebung) sind ebenfalls häufig anzutreffen.
 Aber auch mehradrige Stromkabel wirken wie ein Kondensator, während man Hochspannungsfreileitungen als extrem langgezogene Spulen betrachten kann. Damit ist klar: Ein bestimmtes Maß an Phasenverschiebung und damit an Blindleistung lässt sich in Wechselstromnetzen kaum vermeiden. Messgröße der Phasenverschiebung ist der Verschiebungsfaktor cos(φ), der Werte zwischen 0 und 1 annehmen kann. Mit seiner Hilfe lassen sich unterschiedliche Leistungswerte sehr einfach ineinander umrechnen (siehe Infokasten). 

Wie wirkt sich Blindleistung im Stromnetz aus?

Nur die Wirkleistung ist nutzbare Leistung. Mit ihr lassen sich Maschinen antreiben, Lampen zum Leuchten bringen oder Heizstrahler betreiben. Bei der Blindleistung liegen die Dinge anders: Sie verbraucht sich nicht und kann auch keine Arbeit leisten. Sie pendelt lediglich im Stromnetz hin und her – und belastet es dadurch zusätzlich. Denn alle Leitungen, Schalter, Transformatoren und sonstige Bauteile müssen die zusätzliche Blindleistung berücksichtigen.
Konkret: Sie müssen für die Scheinleistung ausgelegt werden, also für die geometrische Summe aus Wirk- und Blindleistung. Auch die ohmschen Verluste beim Energietransport entstehen auf Grundlage der Scheinleistung, zusätzliche Blindleistung führt daher zu größeren Transportverlusten.

Entlastung der Stromnetze und Spannungsregelung

Zum Glück lässt sich eine vorhandene Phasenverschiebung aber kompensieren. Man braucht lediglich eine entsprechend gegenläufige Phasenverschiebung durch Kompensationsspulen oder Kompensationskondensatoren – oder eben durch Wechselrichter. Damit verringern sich einerseits die Transportverluste, andererseits wird das Netz nur noch mit der Wirkleistung belastet. Die frei werdenden Leitungsressourcen können damit für die Übertragung zusätzlicher Wirkleistung genutzt werden.
Die kapazitive oder induktive Phasenverschiebung hat aber noch einen anderen Effekt: Sie erhöht oder vermindert die Spannung im Netz. So wird in Großkraftwerken die Energie schon mit einer kapazitiven Phasenverschiebung erzeugt, um den spannungssenkenden Einfluss der induktiven Freileitungen und Transformatoren auszugleichen. Für die Netzregelung ist die Kontrolle der Phasenverschiebung oder Blindleistung daher außerordentlich wichtig – das gilt nicht nur für Großkraftwerke, sondern auch für PV-Anlagen im Mittel- oder Niederspannungsnetz.

Das fordert die Mittelspannungsrichtlinie

Gemäß der BDEW-Mittelspannungsrichtlinie können Netzbetreiber ab Juli 2010 die Einspeisung von induktiver oder kapazitiver Blindleistung mit einem Verschiebungsfaktor von 0,95 verlangen. Tatsächlich fordern einige aber schon heute die Blindleistungseinspeisung, um Anlagen noch an gegebene Netzverknüpfungspunkte anschließen zu können – teilweise sogar mit einem Verschiebungsfaktor von 0,90. Eine entsprechende Richtlinie für das Niederspannungsnetz ist bereits in Arbeit, in einer Studie der TU München wird ebenfalls ein Verschiebungsfaktor von 0,90 vorgeschlagen.
Hintergrund: Aus physikalischen Gründen führt die Wirkleistungseinspeisung vor allem im Niederspannungsnetz zu einer Spannungsanhebung, die unter Umständen problematisch werden kann (siehe Abb. 3). Gleichzeitig ist hier aber besonders viel Blindleistung nötig, um die Spannung wieder abzusenken.

Produktlösungen von SMA

SMA bietet schon jetzt eine Reihe von blindleistungsfähigen Produkten: Alle neueren Zentral-Wechselrichter, die SunnyMini Central-Wechselrichter mit Reactive Power Control (engl. für Blindleistung) und auch der neue Sunny Tripower sind für die Lieferung von Blindleistung ausgelegt. Die aktuellen Zentral-Wechselrichter der HE-Serie erfüllen heute schon sämtliche ab Mitte 2010 geltenden Anforderungen der Mittelspannungsrichtlinie und bieten Verschiebungsfaktoren bis 0,90, die übrigen Geräte sogar bis 0,80.

Multitalent Power Reducer Box
Mit der SMA Power Reducer Box gibt es zudem eine Kommunikationslösung für die Vorgabe des Verschiebungsfaktors: Neben der ferngesteuerten Begrenzung der Einspeiseleistung ermöglicht das Gerät die ferngesteuerte Auswahl aus maximal 16 frei definierbaren Verschiebungsfaktoren oder Blindleistungswerten (die Maximalwerte der verwendeten Wechselrichter sind dabei zu beachten).

Hightech mit Zusatznutzen
Die innovativen Sunny Backup Sets von SMA gehen sogar noch einen Schritt weiter: Ein Backup-System muss bei Ausfall des Versorgungsnetzes mithilfe von Batterie- und Solarstrom ein vollwertiges Inselnetz aufbauen – für diesen „Backup- Fall“ ist es gedacht. Der Batterie-Wechselrichter übernimmt dabei die Funktion des Netzbildners und ist für Spannung, Frequenz, Blindleistungskompensation und die Filterung von Oberschwingungen verantwortlich. Er ist in der Lage, seine gesamte Nennleistung als Blindleistung abzugeben und damit die Phasenverschiebung im Inselnetz auf jeden beliebigenWert auszuregeln. Mit einer Softwaremodifikation könnte der Sunny Backup-Wechselrichter dies auch bei vorhandener Netzspannung tun und das Niederspannungsnetz entsprechend entlasten.

So plant man mit Blindleistung

Selbstverständlich muss die Blindleistung bei der Auslegung einer PV-Anlage berücksichtigt werden. Dabei spielt der gewünschte oder geforderte Verschiebungsfaktor die entscheidende Rolle: Er bestimmt die Höhe der Scheinleistung und damit die zusätzlich benötigte Wechselrichter-Leistung. So entsteht bei einem cos(φ) von 0,95 eine Scheinleistung von 105,26 Prozent der angebotenen PV-Wirkleistung. Um 100 kW Wirkleistung mit dieser Phasenverschiebung einzuspeisen, wird daher ein Wechselrichter mit mindestens 105 kVA Nenn-Scheinleistung benötigt (siehe Abb. 2). Wichtig: Die vom Wechselrichter aufgenommene Wirkleistung bleibt dabei in voller Höhe erhalten. Die jeweilige Blindleistung entsteht zusätzlich im Wechselrichter, weshalb er entsprechend größer dimensioniert sein muss. Mit der kostenlosen SMA Planungssoftware „Sunny Design“ lassen sich ab der Version 1.50 übrigens auch sämtliche Möglichkeiten der Blindleistungseinspeisung berechnen.

Abb. 2: Die gewünschte Blindleistung wird im Wechselrichter erzeugt – zusätzlich zur aufgenommenen PV-Wirkleistung. Die geometrische Summe aus beiden ist die Scheinleistung, sie ist für die Auslegung des Wechselrichters maßgeblich

Mit Blindleistung Probleme lösen

In bestimmten Konstellationen ist die Einspeisung von Blindleistung für den Anlagenbetreiber durchaus vorteilhaft: Denkbar ist, dass eine Anlage nur wenig Wirkleistung einspeisen kann, da die Netzspannung andernfalls die zulässigen Werte überschreitet und die Wechselrichter sich vom Netz trennen. Vor allem bei der Einspeisung in das (überwiegend ohmsche) Niederspannungsnetz kann dieser Fall eintreten, denn hier wirkt sich auch die Wirkleistungseinspeisung merklich auf die Netzspannung aus. Bei Anlagen unter 30 kWp Leistung ist dies zwar ein Problem des Netzbetreibers, der ja einen ausreichend dimensionierten Einspeisepunkt zur Verfügung stellen muss. Bei größeren Anlagen gilt es jedoch die gesamtwirtschaftlich günstigste Lösung zu finden – egal, ob auf Kosten des Anlagen- oder des Netzbetreibers.
Die Spannungshaltung über Einspeisung von Blindleistung ist hier unter Umständen die günstigste Alternative: Mit einer passenden Phasenverschiebung durch den Wechselrichter lässt sich die Spannungserhöhung am Netzanschlusspunkt unter Umständen so weit kompensieren, dass eine Verletzung der Spannungskriterien sicher verhindert wird (siehe Abb. 3). Damit kann überflüssiger Netzausbau (zu Lasten des Netzbetreibers) oder die Wahl eines entfernteren Netzverknüpfungspunktes (zu Lasten des Anlagenbetreibers) vermieden werden.
Für die Blindleistungsabgabe muss zwar in zusätzliche Wechselrichter-Leistung investiert werden. Trotzdem lohnt sich der Aufwand, wenn ansonsten deutlich weniger oder gar keine Wirkleistung eingespeist werden könnte oder ein anderer Netzverknüpfungspunkt gewählt werden müsste.

Abb. 3: Die prozentuale Spannungsanhebung bei 27 kW Wirkleistungseinspeisung, abhängig vom Netzimpedanzwinkel und dem Verschiebungsfaktor

Fazit: Keine Angst vor der Blindleistung

Die Lieferung von Blindleistung durch Solar-Wechselrichter ist ein wichtiger Schritt für die Einbindung der Photovoltaik in die Netzregelung, kann aber auch für Betreiber attraktiv sein. Die gute Nachricht: Aufgrund ihrer Funktionsweise sind Wechselrichter hierfür hervorragend geeignet.