Probleme mit Oberwellen bei PV-Anlagen: was dahintersteckt
Ja, PV-Wechselrichter speisen Oberschwingungsströme ins Netz – das ist bauartbedingt normal und in den Anschlussnormen bereits eingepreist. Zum Problem wird es erst, wenn dein Netz vorbelastet ist, eine unverdrosselte Kompensationsanlage mitschwingt oder der Wechselrichter dauerhaft in Teillast läuft.
Jeder netzgeführte PV-Wechselrichter erzeugt seinen Sinus per Pulsweitenmodulation. Dabei entstehen ungeradzahlige Oberschwingungsströme – bei dreiphasigen Geräten dominieren typischerweise die 5., 7., 11. und 13. Ordnung – plus hochfrequente Anteile im Bereich der Schaltfrequenz. Solange dein Netz keine Resonanzstelle in genau diesen Frequenzen hat, merkst du davon nichts. Erst das Zusammenspiel aus Oberschwingungsstrom und Netzimpedanz erzeugt eine Spannungsverzerrung – und die ist es, die Geräte stört. Deshalb gilt: nicht die Anlage ist schuld oder unschuldig, sondern die Kombination aus Anlage, Netzimpedanz und vorhandener Vorbelastung.
1) Resonanz mit einer unverdrosselten Blindleistungskompensation: Kondensatorstufen und Netzinduktivität bilden einen Schwingkreis, der eine Ordnung aufschaukelt – Folge sind heiße, aufgeblähte oder ausgefallene Kondensatoren und durchgebrannte Schützkontakte. 2) Zusatzverluste im Transformator: Oberwellenströme erzeugen überproportionale Wirbelstromverluste, der Trafo wird wärmer als die Wirkleistung vermuten lässt. 3) Überlastung des Neutralleiters durch Anteile der 3. Ordnung – relevant vor allem bei vielen einphasigen Geräten im selben Netz. 4) Störungen an empfindlicher Elektronik, Rundsteuerempfängern und Messtechnik. 5) Fehlauslösungen von RCDs und Schutzeinrichtungen.
Der Stromklirrfaktor THDi wird immer relativ zur Grundschwingung angegeben. Der absolute Oberschwingungsstrom eines Wechselrichters bleibt über weite Bereiche annähernd konstant, die eingespeiste Grundschwingung sinkt aber morgens, abends und bei Bewölkung stark ab. Ergebnis: prozentual sieht dein THDi in der Dämmerung dramatisch aus, obwohl absolut kaum Oberwellen fließen. Bewerte deshalb nie einen einzelnen Prozentwert, sondern immer den Oberschwingungsstrom in Ampere im Verhältnis zur tatsächlichen Einspeisung. Sonst jagst du ein Messartefakt statt eines Fehlers.
Setz einen Netzanalysator nach IEC 61000-4-30 (möglichst Klasse A) für mindestens sieben zusammenhängende Tage an den Verknüpfungspunkt und zeichne 10-Minuten-Mittelwerte auf: Spannungsklirrfaktor THDu, die Einzelordnungen 3, 5, 7, 11, 13, Oberschwingungsströme je Phase und den Neutralleiterstrom. Entscheidend ist der zweite Kanal: logge parallel die PV-Einspeiseleistung mit. Steigt die Verzerrung mit der Sonne und verschwindet nachts, ist die Anlage beteiligt. Bleibt sie nachts bestehen, liegt die Ursache woanders. Ein Vorher-Nachher-Vergleich mit abgeschaltetem Wechselrichter kostet zehn Minuten und ersetzt jede Diskussion.
Für die Spannungsqualität am Netzanschluss ist EN 50160 die Referenz: Sie beschreibt die zulässigen Merkmale der Versorgungsspannung anhand von 10-Minuten-Mittelwerten, die in 95 Prozent einer Messwoche eingehalten sein müssen – inklusive Vorgaben für den gesamten Klirrfaktor und die einzelnen Ordnungen. Für die Anlage selbst zählen die Anschlussregeln VDE-AR-N 4105 (Niederspannung) beziehungsweise VDE-AR-N 4110 (Mittelspannung); dort werden zulässige Oberschwingungsströme in Bezug auf die Kurzschlussleistung am Anschlusspunkt bewertet. Geräteseitig gelten je nach Strom die Produktnormen der Reihe DIN EN 61000-3. Prüfe die Zahlen immer in der aktuell gültigen Fassung, statt dich auf Faustwerte zu verlassen.
Erst messen, dann bauen. Schritt eins: Kompensationsanlage prüfen und, falls unverdrosselt, auf verdrosselte Stufen umrüsten – das löst einen Großteil der realen Fälle, weil es die Resonanzstelle unter die störenden Ordnungen schiebt. Schritt zwei: Netz- beziehungsweise AC-Drosseln an den auffälligen Betriebsmitteln und saubere Aufteilung einphasiger Lasten auf die drei Phasen. Schritt drei: Transformator- und Neutralleiterbelastung nachrechnen und gegebenenfalls Derating einplanen. Schritt vier: passive Saugkreise auf die dominierende Ordnung. Erst wenn all das ausgereizt ist, lohnt ein aktiver Oberschwingungsfilter – der ist wirksam, aber die teuerste Lösung und kaschiert sonst nur eine falsch ausgelegte Kompensation.