PV-systemen, capaciteit- en spanningsproblemen

Er is een mooi stuk verschenen op Cobouw, aangaande problemen bij PV-Systemen. Als marktleider op het gebied van opleiding voor zonnepaneelinstallateurs en onafhankelijk inspectiebureau voor o.a. Zonnepanelen volgt Omega dit natuurlijk op de voet. Zodoende wilde wij jullie het volgende ook niet onthouden:

De grootschalige toepassing van PV-systemen kan in het laagspanningsnet en bij de aangesloten installaties leiden tot problemen met overspanning en overbelasting.

Hoe kunnen deze problemen worden opgelost en wat is de meest economische oplossing. In dit artikel worden de problemen geanalyseerd en worden de diverse oplossingen gepresenteerd.

Problemen bij grootschalige toepassing PV-systemen

De problemen die kunnen ontstaan bij grootschalige toepassing van PV-systemen, zijn:

• opdrijving van de spanning of
• overbelasting van het net.

Bij problemen met de spanning (te hoge spanning) leidt dit tot uitschakeling van de omvormer. In de omvormer is een beveiliging aanwezig die bij overschrijding van een ingestelde waarde (voor Nederland 253V) de omvormer afschakelt. In modernere uitvoeringen is ook de mogelijkheid aanwezig om het actieve vermogen terug te regelen om overspanning te voorkomen. Hierbij wordt het vermogen teruggeregeld om een spanning boven de 253 V te voorkomen. Dit gaat dus wel ten kosten van het opgewekte vermogen, hoewel dit maar gedurende een korte tijd noodzakelijk zal zijn.

In onderstaande afbeelding is de aansluiting van een PV-systeem op een laagspanningsnet weergegeven. Bij de transformator is de ingestelde spanning circa 240 V. De exacte waarde zal ook afhangen van de belasting op het middenspanningsnet. De gebruikte netkabel is een 150 mm² kabel met aluminium kernmateriaal. De aansluitkabel naar aansluiting B is een 35 mm² aluminium kabel. De aansluiting van het PV-systeem gebeurt met een 10 mm² kabel met koper als kernmateriaal.

PV-systeem aangesloten op een laagspanningsnet.

In de afbeelding hierboven is ook het mogelijke spanningsprofiel aangegeven. Op het moment dat het PV-systeem maximaal teruglevert, is de spanning op de klemmen van de omvormer (punt C) 253V, de maximaal toelaatbare spanning. Deze spanningsverhoging vindt plaats door de spanningsopdrijving in de diverse leidingen.

Een ander probleem bij grootschalige toepassing van PV-systemen, is de mogelijke overbelasting van de voedende transformator. Dit speelt alleen als het geïnstalleerde vermogen van de PV-systemen groter is dan het nominaal schijnbare vermogen van de transformator.

Oplossingen voor problemen bij grootschalige toepassing PV-systemen

Voor het beoordelen van de meest effectieve oplossing, kunnen we het probleem nog eens nader analyseren. Stel dat de gegevens van het net en installatie beschikbaar zijn. Deze gegevens zijn opgenomen in onderstaande tabel.

COMPONENT	KERNMATERIAAL/LENGTE	R (MOHM)	X (MOHM)
Transformator	–	5	16
Netkabel	200 m 150 Al	44	16
Aansluitkabel	40 m 35 Al	38	3
Installatiekabel	40 m 10 Cu	80	3

Elektrische parameters kabels en transformator.

Stel dat op de installatie een PV-systeem wordt aangesloten met een totaal vermogen van 60 kW.

De stroom die gaat lopen uitgaande van een arbeidsfactor van 1 is circa 86 A. De spanningsopdrijving die ontstaat is te berekenen met de formule:

Als we uitgaan van een omvormer die probeert een arbeidsfactor van 1 te benaderen, kan de formule vereenvoudigd worden naar:

Voor de betreffende componenten is bij een PV-systeem van 60 kW (driefasig uitgevoerd) de spanningsvariatie weergegeven in onderstaande tabel, uitgaande van een instelling van de transformator van 240 V als er geen belasting is.

COMPONENT	SPANNINGSVERSCHIL	SPANNING
Transformatorruime LS	0,4	240,4
Netkabel, punt A	3,8	244,2
Aansluitkabel, B	3,3	247,5
Installatiekabel, C	6,9	254,4

Spanningsvariatie over de diverse componenten.

De spanning op het aansluitpunt, waarop ook andere toestellen zijn aangesloten, overschrijden overigens niet de 253 V. De maximale spanning is op dit punt 247,5 V. In de praktijk wordt deze ruimte in spanning nog wel eens gebruikt om de instellingen (beveiliging tegen te hoge spanning) te verhogen van 253 V naar bijvoorbeeld 256 V. In de geschetste situatie zou dit een denkbare oplossing kunnen zijn, maar dit is zeker geen algemeen toepasbare oplossing. Immers als de spanningsopdrijving nauwelijks in de installatiekabel van het PV-systeem optreedt, kunnen hierdoor ook andere toestellen in de installatie een te hoge spanning voor hun kiezen krijgen, met versnelde veroudering tot gevolg. Als we problemen zo dicht mogelijk bij bron willen oplossen, dan is een tweede optie de aansluitkabel van het PV-systeem te verzwaren. Immers de grootste spanningsopdrijving vindt plaats in deze kabel. Een aanpassing van deze kabel naar een 25 mm² kabel zou het spanningsprobleem oplossen.

Terugregelen actieve vermogen

Als we verder kijken naar de PV-installatie en de omvormer, dan is het terug regelen van het actieve vermogen bij dreigende overspanning uiteraard een mogelijkheid. De spanningsopdrijving zal evenredig met de terugregeling van het actieve vermogen verminderen. Uiteraard zal bij deze oplossing de terug geleverde energie ook minder worden. Gezien het feit dat het probleem wellicht alleen bij vol vermogen optreedt, zou het verlies in niet geleverde energie wel eens erg klein kunnen zijn.

Regelen van blindvermogen

Een optie die in moderne omvormers ook wel eens wordt gegeven, is het regelen van het blindvermogen om de spanning te verlagen. Stel dat we in de gegeven situatie met gelijkblijvend actief vermogen, inductief blindvermogen vragen uit het net om 2 V spanningsdaling te krijgen, wat minimaal nodig is om het probleem op te lossen. Hiervoor is een blindstroom nodig van circa 52 A. De omvormer zal dit waarschijnlijk niet kunnen leveren zonder het actieve vermogen te verminderen. De noodzakelijke vermindering van het actieve vermogen, leidend tot een zelfde schijnbaar vermogen van 60 kVA (bijvoorbeeld het nominale vermogen van de omvormer) zal een veel grotere spanningdaling geven die een factor 5 hoger is dan nodig. Daarnaast zal bij de oplossing met blindvermogen de verliezen in de kabels toenemen. Kortom: Het regelen van de spanning met blindvermogen is in een laagspanningsnet niet een goede optie.
Bovengenoemde oplossingen liggen nog binnen het bereik van de eigenaar van het PV-systeem. Het verzwaren van de installatiekabel is een oplossing die nog wat extra vermogen geeft, omdat de verliezen in de installatiekabel ook worden verkleind. Bij het terugregelen van actief vermogen gaat er dus wat van het potentieel aan opgewekte actief vermogen verloren.

Oplossingen die de netbeheerder nog kan realiseren:

• het verzwaren van de aansluitkabel : de kosten zijn hiervoor zijn relatief laag. Het verzwaren van de netkabel vergt al weer een veel grotere investering en kost ook veel meer tijd om te realiseren.
• het veranderen van de trapstand van de transformator. Door de trapstand te verzetten, kan de spanning in zijn geheel worden verlaagd. Wel moet erop worden gelet dat ook in bij hoge belasting en geen opwek iedereen een goede spanning blijft houden. Als dit het geval is, en de ruimte is er in de gegeven situatie (zie afbeelding  PV-systeem aangesloten op een laagspanningsnet), dan is dit ook een goede oplossing die meebrengt dat alle opgewekte energie kan worden gebruikt. Voor het verzetten van de trapstand moet de transformator wel even uit bedrijf.

Bovengenoemde oplossingen werken bij het spanningsprobleem, maar niet altijd voor het oplossen van het probleem van overbelasting. Als er bij veel installaties PV-systemen worden aangesloten, dan kan ook overbelasting van het net optreden. Dit is niet op te lossen met aanpassingen in de installatiekabel, de aansluitkabel of het aanpassen van de trapstand van de transformator. Het verzwaren van het net (of de voedende transformator) is wel een blijvende oplossing. Deze oplossing is uiteraard duur.

Naast deze relatief eenvoudige oplossingen (en daarom vaak ook de beste) zijn er uiteraard ook nog andere mogelijkheden, zoals:

• Het inschakelen van belasting op momenten dat er veel opwek is (regelbare belastingen zijn bijvoorbeeld koelunits, elektrische auto’s en soortgelijke belastingen)
• Het gebruikmaken van opslagsystemen (duur en gaat ook gepaard met veel energieverliezen)

Deze oplossingen vergen de inzet van complexere regelsystemen en aanpassing van tariefstructuren en wellicht ook regelgeving.

Conclusie

Alles beschouwend zouden we dus kunnen concluderen dat de weg naar een grootschaligere toepassing van PV-systemen het gemakkelijkste geëffend kan worden door het voorkomen van problemen en als deze toch optreden in eerste instantie de gemakkelijkste oplossing te kiezen. In onderstaande afbeelding is een overzicht weergegeven van deze conclusie.

Probleem kunnen worden voorkomen door:

• tijdige communicatie met de betreffende netbeheerder,
• een goed ontwerp van de PV-installatie met zo klein mogelijke spanningsverliezen (en dus ook energieverliezen).

Als er toch problemen optreden dan zijn in onderstaande afbeelding in volgorde de meest voor de hand liggende oplossingen gegeven. Per praktijksituatie kunnen er uiteraard weer andere oplossingen voor handen zijn of kan de volgorde van meest gewenste oplossing verschillen.

Bron: Duurzameenergie.cobouw.nl