Stand: September 2012
Bei der VDE-AR-N 4105, umgangssprachlich oft auch als Niederspannungsrichtlinie bezeichnet, handelt es sich um die Neufassung der VDEW-Richtlinie „Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz“ nach grundlegender Überarbeitung durch das Forum Netztechnik/Netzbetrieb (FNN) im VDE. Sie ist zum 1. August 2011 in Kraft getreten und seit dem 1. Januar 2012 für alle neuen PV-Anlagen verbindlich. Als führender Hersteller von PV-Wechselrichtern hat SMA im Rahmen des FNN auch an der Neufassung der Anwendungsregel mitgewirkt.
Die Anforderungen sind denen der Mittelspannungsrichtlinie in vielen Punkten ähnlich: Einerseits geht es um die Spannungshaltung und die Vermeidung von Netzausbau durch Bereitstellung von Blindleistung. Andererseits um eine stufenlose Leistungsabregelung der PV-Anlagen bei steigender Netzfrequenz. Hintergrund: Schon 2009 war die im deutschen Niederspannungsnetz installierte PV-Leistung größer als die europäische Regelreserve, sodass die bislang gültigen Abschaltbedingungen für netzgekoppelte PV-Anlagen im Niederspannungsnetz nicht mehr haltbar waren. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf dem Thema „dreiphasige Einspeisung“, hier werden die Anschlusskriterien und Ziele bezüglich Symmetrie und Schieflast klarer als bisher formuliert.
Hinweis: Die VDE-AR-N 4105 ist auch für Erzeugungsanlagen auf Mittelspannungsebene verbindlich, sofern deren Nennleistung kleiner ist als 100 kVA.
Einige Anforderungen der VDE-Anwendungsregel gelten nur in bestimmten Anwendungsfällen oder ab einer gewissen Anlagenleistung. Daher zunächst eine Auflistung der Basisanforderungen, deren Erfüllung für jeden Wechselrichter und jede PV-Anlage obligatorisch ist.
1. Wirkleistungsreduzierung bei Überfrequenz
Diese Anforderung hat zwar keinen Einfluss auf die Planung der Solaranlage und die Auswirkungen auf ihren Ertrag sind vernachlässigbar. Sie ist aber von enormer Bedeutung für die Netzsicherheit. Das Problem: Nach den bisherigen Anschlussregeln mussten sich PV-Anlagen bei erhöhter Netzfrequenz schlagartig vom Netz trennen. Die gleichzeitige Abschaltung der inzwischen im deutschen Niederspannungsnetz installierten PV-Leistung könnte jedoch die Stabilität des europäischen Verbundnetzes gefährden („50,2 Hz-Problem“). Daher sollen sich PV-Anlagen bei erhöhter Netzfrequenz nicht mehr sofort abschalten, sondern ihre Leistung zunächst stufenlos reduzieren. Der zulässige Frequenzbereich wird entsprechend erweitert und reicht nun von 47,5 bis 51,5 Hz. Oberhalb von 50,2 Hz wird die momentane Einspeiseleistung PM mit einer Kennlinie in Abhängigkeit von der Netzfrequenz reduziert. Erst bei Erreichen von 51,5 Hz soll sich die Anlage vom Netz trennen.
Die prozentuale Abregelung gemäß der Kennlinie geht immer von der Momentanleistung aus, die beim Überschreiten von 50,2 Hz anliegt. Verbessern sich zwischenzeitlich die Einstrahlungsbedingungen, darf der Wechselrichter beim Unterschreiten der Abregelungsgrenze seine Leistung aber nur mit einem definierten Anstieg auf den neuen, nicht abgeregelten Maximalwert erhöhen. Die Leistungssteigerung kann dabei mehrere Minuten dauern.
Hinweis: Dieser Punkt deckt sich nahezu vollständig mit der entsprechenden Anforderung der Mittel-spannungsrichtlinie. Einziger Unterschied: Während Wechselrichter auf Mittelspannungsebene die Abregelung erst wieder zurücknehmen dürfen, wenn die Frequenz auf unter 50,05 Hz zurückgegangen ist, fordert die VDE-Anwendungsregel ein „Fahren“ auf der Kennlinie.
Abb. 1: Die Frequenz-Wirkleistungs-Kennlinie gemäß der VDE-Anwendungsregel: Ab 50,2 Hz wird begrenzt
Problematisch am 50,2 Hz-Problem sind vor allem die vielen Bestandsanlagen, die entsprechend den bislang gültigen, aber technisch unvorteilhaften Abschaltkriterien parametriert wurden. Neben der Umstellung der Anschlussregeln für neue Anlagen besteht ein wichtiger Lösungsansatz daher in der sukzessiven Nach- bzw. Umrüstung dieser Altanlagen. Gemäß der vom Bundestag am 29. März 2012 beschlossenen EEG-Novelle werden die Kosten jeweils zur Hälfte auf die EEG-Umlage und die Netzentgelte umgelegt. Die am 4. Mai 2012 erlassene "Verordnung zur Gewährleistung der technischen Systemstabilität und Sicherheit“ regelt sämtliche Anforderungen sowie mögliche Sanktionen gegenüber Anlagenbetreibern. Demnach betrifft die Nachrüstpflicht alle PV-Anlagen, die nach dem 30. August 2005 ans Netz gegangen sind und eine Leistung von 10 kWp überschreiten. Wie schon bei der Nachrüstung im Rahmen der 50,2 Hz-Übergangsregelung wird auch hier entweder die vorhandene Kennlinienfunktion aktiviert oder die Abschaltgrenze von 50,2 Hz auf einen höheren Wert geändert. Bei einigen älteren Wechselrichter-Typen ist für die Nutzung der Kennlinienfunktion aus der BDEW-Mittelspannungsrichtlinie eine Aktualisierung der Firmware erforderlich.
Hinweis: Der SMA Service hat auf einer Sonderseite alle relevanten Informationen zur 50,2 Hz-Nachrüstung zusammengestellt – sowohl für Anlagenbetreiber als auch für Installateure.
2. Anschlusskriterien und zulässige Schieflast
In puncto Schieflast werden die Anschlusskriterien klarer: Es gilt eine generelle Grenze von 4,6 kVA pro Phase, die bisher gegebene Möglichkeit, bis zu 110 Prozent dieser Leistung einphasig einzuspeisen, entfällt. Damit ergibt sich eine maximale Anlagenleistung von 13,8 kVA aus einphasigen und ungekoppelten Wechselrichtern (3 x 4,6 kVA). Bei größeren Anlagen muss daher mindestens der über 13,8 kVA hinausgehende Teil der Leistung mit dreiphasigen Geräten ausgelegt werden, wobei auch eine kommunikative Kopplung einphasiger Wechselrichter zulässig ist. Umgekehrt lassen sich auch größere dreiphasige Anlagen mit einphasigen und ungekoppelten Geräten ergänzen, solange deren Summenleistung pro Phase 4,6 kVA nicht überschreitet.
3. Neuerungen beim Netz- und Anlagenschutz
Eine weitere Basisanforderung betrifft den Netz- und Anlagenschutz (kurz: NA-Schutz), also die Schutzeinrichtung, die alle relevanten Netzparameter überwacht und die PV-Anlage gegebenenfalls vom Netz trennt. Bei Anlagen mit mehr als 30 kVA Scheinleistung wird nun keine jederzeit zugängliche Freischaltstelle mehr gefordert. Im Gegenzug sind generell eine umfassendere Netzüberwachung (inklusive der Netzfrequenz) sowie Einfehlersicherheit vorgeschrieben. Anlagen mit weniger als 30 kVA Scheinleistung können weiterhin mit einem im Wechselrichter integrierten NA-Schutz betrieben werden. Die hier ebenfalls gültigen höheren Anforderungen werden von SMA Wechselrichtern schon seit je her erfüllt – einschließlich der einfehlersicheren Schalteinrichtung. Verfügen alle Wechselrichter über eine eigene Inselnetzerkennung mit Netztrennung durch den geräteintegrierten Kuppelschalter, kann im zentralen NA-Schutz auf eine gesonderte Inselnetzerkennung verzichtet werden. Diese Lösung spart eine Menge Aufwand und ist mit sämtlichen SMA Wechselrichtern möglich.
Abschaltgrenzen:
Spannungsrückgangsschutz (U <) < 184 V
Spannungssteigerungsschutz (U >) > 253 V
Spannungssteigerungsschutz (U >>) > 264,5 V
Frequenzrückgangsschutz (f <) < 47,5 Hz
Frequenzsteigerungsschutz (f >) > 51,5 Hz
Wiederzuschaltgrenzen:
Spannung größer 195,5 V und kleiner 253 V
Frequenz größer 47,5 Hz und kleiner 50,05 Hz
Die folgenden Anforderungen der Anwendungsregel gelten erst ab einer bestimmten Anlagenleistung. Einen Sonderfall bilden die Anschlusskriterien und Vorgaben zur dreiphasigen Einspeisung: Wegen der grundsätzlich geänderten Schieflastgrenze und der neuen Herangehensweise wurde das Thema bereits bei den Basisanforderungen aufgeführt. Da die Vorgaben aber auch eine indirekte Leistungsgrenze beinhalten, wird das Thema hier noch einmal erläutert.
1. Bereitstellung von Blindleistung
Durch den Einsatz blindleistungsfähiger Wechselrichter können deutlich mehr PV-Anlagen die vorhandene Infrastruktur des Niederspannungsnetzes nutzen. Daher wird Blindleistungsabgabe nun auch auf dieser Spannungsebene gefordert. Hintergrund: Die Einspeisung von Wirkleistung in das eher von ohmscher Charakteristik geprägte Niederspannungsnetz führt grundsätzlich zu einem Anstieg der Spannung am Einspeisepunkt. Bei längeren Netzausläufern kommt hinzu, dass die Spannung schon transformatorseitig höher gestellt werden muss, damit beim Verbraucher noch die untere Spannungsgrenze von 207 Volt eingehalten wird. Soll auf Seiten des Verbrauchers nun Wirkleistung eingespeist werden ohne dass in ähnlicher Größenordnung Leistung aufgenommen wird, kann es zu einer Überschreitung der oberen Spannungsgrenze am Einspeisepunkt kommen. Durch die gleichzeitige Aufnahme induktiver Blindleistung können Wechselrichter die Spannung am Netzanschlusspunkt jedoch senken.
Abb. 2: Zur Einhaltung der Spannungsgrenzen bei maximaler Verbrauchslast muss die Spannung am Trafo oft höhergestellt werden.
Abb. 3: Die notwendige Spannungsstellung kann zum Überschreiten der Maximalspannung am Einspeisepunkt führen. Die Lösung: induktive Blindleistung
Ab einer Anlagenscheinleistung von 3,68 kVA fordert die Anwendungsregel daher die Fähigkeit der Wechselrichter, mit Verschiebungsfaktoren von 0,95übererregt bis 0,95untererregt einzuspeisen. Übersteigt die Anlagenleistung 13,8 kVA, müssen sogar Verschiebungsfaktoren bis 0,90 möglich sein.
Wichtig: Bei der Erweiterung oder Nachrüstung bestehender Anlagen zählt die bereits vorhandene Anlagenleistung mit. Für den neu hinzugefügten Anlagenteil gelten also die Grenzwerte, die nach der neuen Gesamtleistung der Anlage bemessen sind. Im Gegensatz zur Mittelspannungsrichtlinie verzichtet die Niederspannungsrichtlinie jedoch auf die Anforderung der ferngesteuerten, variablen cos(φ)-Vorgabe.
Der jeweilige Sollwert ist entweder fest vorgegeben oder ergibt sich in Abhängigkeit von der momentan abgegebenen Wirkleistung gemäß einer standardisierten Kennlinie: Bis zu einer Wirkleistung in Höhe seiner halben Nennleistung muss der jeweilige Wechselrichter ohne Phasenverschiebung einspeisen. Danach ist sie stetig zu erhöhen, bis er bei voller Nennleistung mit dem für die jeweilige Anlage gültigen, maximalen Verschiebungsfaktor (untererregt) arbeitet. Diese Standard-Kennlinie soll bereits im Auslieferungszustand der Geräte eingestellt sein.
Abb. 4: Ab Werk voreingestellte Blindleistungskennlinie gemäß AR 4105
Ein Ziel der Anwendungsregel ist die aktive Spannungssymmetrierung im Niederspannungsnetz, weswegen größere Anlagen möglichst leistungssymmetrisch einspeisen sollen. Es gibt aber keine besonderen Vorschriften für den Fall, dass die Anlagenleistung 13,8 kVA übersteigt – die Schieflastgrenze von 4,6 kVA pro Phase gilt unabhängig von der Leistung und auch im Fehlerfall.
Aus dieser Schieflastgrenze folgt jedoch, dass mindestens der Teil der Anlagenleistung, der 13,8 kVA übersteigt, dreiphasig ins Netz gespeist werden muss. Neben dem Einsatz dreiphasiger Wechselrichter besteht eine weitere Lösung in der kommunikativen Kopplung einphasiger Wechselrichter zu dreiphasigen Einspeiseeinheiten, wie SMA sie mit dem Power Balancer für die Sunny Mini Central-Baureihe anbietet. Hier werden beim Ausfall eines Gerätes die jeweils anderen ebenfalls gestoppt, sodass auch im Fehlerfall keine relevante Schieflast entsteht.
Abb. 5: Gemäß AR 4105 dürfen einphasige Wechselrichter nur mit maximal 4,6 kVA Summenscheinleistung pro Phase verbaut werden.
Der Verteilnetzbetreiber soll auch im Niederspannungsnetz in der Lage sein, die Leistung von PV-Anlagen ferngesteuert in definierten Stufen von PNenn zu begrenzen. Denkbare Gründe für eine Leistungsbegrenzung sind unter anderem der Betrieb von Netzersatzanlagen, die kurzfristige Überlastung des übergeordneten Mittelspannungs- oder Transportnetzes oder ein systemgefährdender Frequenzanstieg. Die Anforderung gilt für alle Anlagen mit mehr als 100 kVA Leistung und ist ansonsten vergleichbar mit der in der Mittelspannungsrichtlinie. Die Produktlösung von SMA ist die Power Reducer Box, die auch für das Einspeisemanagement gemäß BDEW-Mittelspannungsrichtlinie eingesetzt wird.
Hinweis: §6 EEG 2012 fordert die Beteiligung am Einspeisemanagement auch für Anlagen zwischen 0 und 100 kWp. Die Anforderungen sind jedoch erst ab dem 1. Januar 2013 zu erfüllen, zudem besteht für Anlagen zwischen 0 und 30 kWp alternativ die Möglichkeit der pauschalen Wirkleistungsbegrenzung. Näheres hierzu auf der Seite zum EEG 2012.