Aufbau und Betrieb von PV-Anlagen

Normenkonforme Absicherung

Abhängig von ihrer Größe weisen PV-Anlagen unterschiedliche Spannungen und Leistungen auf, die spezifische Anforderungen an die erforderlichen Schutzkomponenten stellen. Welche technischen Vorkehrungen für PV-Anlagen erforderlich sind, regelt die Richtlinie DIN VDE 0100-712.

Zur Durchführung von Wartungsarbeiten an den PV-Modulen oder Wechselrichtern sind Einrichtungen zum Trennen der Wechsel- und Gleichspannungsseite erforderlich. Zudem muss der Gleichstromhauptschalter den Gleichspannungskreis unter Last sicher allpolig trennen können. Hierfür sind Lasttrennschalter mit einem entsprechenden Schaltvermögen für Gleichströme einzusetzen. PV-Steckverbindungssysteme dürfen nicht unter Last getrennt werden – eine geeignete Abschalteinrichtung mit Lastschaltvermögen ist deshalb unbedingt vorzusehen.

Auf der Gleichstromseite müssen die Solarmodule und Anschlussleitungen vor Fehlerströmen geschützt werden, die als Folge von Kurzschlüssen im System oder Rückströmen von intakten Strängen in defekte oder verschattete Stränge auftreten können. Die Gefahr von Rückströmen besteht bei der Parallelschaltung mehrerer Stränge. Sie können durch Kurz- oder Erdschluss, aber auch durch Abschattung von Modulen entstehen. So kann es zu einem Spannungseinbruch in einem Strang kommen, der dazu führt, dass Module durch einen Stromdurchfluss in Rückwärtsrichtung thermisch zerstört werden. Um die Module zu schützen, werden Strangsicherungen eingesetzt. Diese schalten bei unzulässig hohem Rückstrom ab.

Die PV-Module werden mit Modulanschlussleitungen untereinander elektrisch verschaltet und zu Strängen zusammengefasst. Der Wechselrichtertyp und dessen Kenndaten geben die Topologie der PV-Anlage vor. Aus dem Eingangsspannungs- und Strombereich des Wechselrichters ergibt sich, wie viele Module in Reihe bzw. wie viele Stränge parallel geschaltet werden können.

Neben den Anschlussklemmen für die PV-Strangkabel und -leitungen kann der Generatoranschlusskasten je nach Konfiguration Strangsicherungen, Überspannungsschutzkomponenten und Trenneinrichtungen enthalten. Die Installation im Generator­anschlusskasten ist kurz- und erdschlusssicher auszuführen: So sind etwa die DC-Klemmen unterschiedlicher Polaritäten räumlich voneinander zu trennen oder anderweitig abzuschotten.

Schutz gegen elektrischen Schlag und im Brandfall

Statistisch besteht für eine PV-Anlage in Deutschland 14- bis 21-mal pro Jahr die Gefahr eines direkten oder indirekten Blitzschlags. Als hochwertige elektronische Komponenten reagieren PV-Module und Wechselrichter sehr empfindlich auf Überspannungen, die netzseitig oder durch Blitzschlag entstehen. Überspannungsschutzgeräte begrenzen auftretende Spannungsspitzen und gewährleisten die Sicherheit sowie dauerhafte Verfügbarkeit der Anlage.

Im Falle eines Brandes geht von einer Solaranlage ein erhöhtes Risiko aus: Auch nach Freischaltung des Wechselrichters liegt die volle Generatorspannung (bis 1000 V DC) an den Gleichstromleitungen an. Beim Löschen mit Wasser besteht für die Rettungskräfte somit Lebensgefahr, wenn sie gewisse Mindestabstände zu den unter Spannung stehenden Leitungen nicht einhalten können. Die Lösung ist ein sogenannter DC-Freischalter, der in einem entsprechenden Gehäuse im PV-Strang in unmittelbarer Nähe der Solarmodule installiert wird. Mittels eines angebauten Unterspannungsauslösers kann dieser über einen entsprechenden „Not-Halt“-Taster oder durch das Abschalten der Stromversorgung über den örtlichen Energieversorger fernabgeschaltet werden.

Grundsätzlich muss eine Schutzmaßnahme gegen elektrischen Schlag realisiert werden – zum Beispiel mit automatischer Ab­schaltung der Stromversorgung im TN-System durch Überstrom­schutzeinrichtungen. Auch der Einsatz von Fehlerstrom-Schutzein­richtungen kann aufgrund des Netzsystems (TT-System) oder anderer Anforderungen (z. B. Brandschutz) notwendig sein.

Bei transformatorlosen Wechselrichtern ist es möglich, dass aufgrund der fehlenden einfachen (galvanischen) Trennung zwischen der DC-Eingangs- und AC-Ausgangsseite glatte Gleichfehlerströme im Wechselstromnetz entstehen. Um diese erkennen und abschalten zu können, sind für den Personen- und Brandschutz Fehlerstromschutzschalter des Typs B oder B+ erforderlich.

Koordinierte Einspeisung ins Netz

Zur Erfassung der ins Stromnetz eingespeisten Energiemenge werden Zähler mit Rücklaufsper­re oder elektronische Zähler ge­fordert, die beide Energieflussrichtungen getrennt erfassen. In geeichter Ausführung lassen sich diese Geräte auch als Abrech­nungs­grundlage verwenden. Zudem müssen PV-Anlagen mittlerweile so ausgestattet sein, dass sie die Netzstabilität nicht gefährden, etwa bei Überproduktion aufgrund starker Sonneneinstrahlung. Diese Aufgabe übernehmen bei Erzeugungsanlagen im Niederspannungsnetz zum Beispiel Überwachungsrelais für den Netz- und Anlagenschutz. Sie überwachen das Netz des Netzbetreibers auf Spannung sowie Frequenz und schalten die Anlage beim Über- oder Unterschreiten vorgegebener Grenzwerte zeitweilig ab. Die Grenzwerte werden dabei von den jeweiligen lokalen Anwendungsregeln festgelegt (in Deutschland: VDE-AR-N-4105). Befinden sich die Werte wieder innerhalb des Toleranzbereichs, wird die Anlage innerhalb einer gewissen Zeit wieder zugeschaltet. Große Solarparks und Anlagen mit hohen Einspeiseleistungen und eigenem Anschlusspunkt ans Mittelspannungsnetz werden oft über ein zentrales Einspeisemanagement des Netzbetreibers reguliert.

Fazit

Angesichts der zunehmenden Bedeutung erneuerbarer Ener­gien wird der Zubau von PV-Anlagen in den kommenden Jahren weltweit weiter steigen. Umso wichtiger sind durchgängige Konzepte, die einen sicheren Betrieb und eine hohe Verfügbarkeit der Anlagen gewährleisten. Normgerechte Schutz-, Schalt-, Mess- und Über­wachungskomponenten gemäß DIN VDE 0100-712 bilden die Voraussetzung dafür.