Dimensionierung des PV-Kabels Punkt 1: Ausgangsleiter des Wechselrichters

Nov 07, 2023

Von Joe Jancauskas, leitender Elektroingenieur bei Castillo Engineering | 4. April 2023

Bildnachweis: Castillo Engineering

Abgesehen von den PV-Modul-Nennwerten ändert sich nichts schneller als die Kilowatt-Nennwerte der Wechselrichter. Tatsächlich ändern Wechselrichterhersteller ihre Produktbewertungen so oft, dass Wechselrichter-Derating zur Gewohnheit geworden ist, um die Wechselstromnennwerte (AC) der Verbindung gleich zu halten und zu vermeiden, dass sie erneut in die umständliche Warteschlange für die Versorgungsanalyse gelangen müssen. Darüber hinaus gibt es weitverbreitete Missverständnisse darüber, wie die richtige Dimensionierung vorzunehmen ist AC-Ausgangsleiter des Wechselrichters im Hinblick auf Wechselrichter-Derating, insbesondere bei Zentralwechselrichtern, was zu unnötigen Materialkosten und Zeitverlust führt.

Im Folgenden gebe ich eine Einführung in die Wechselrichter-Nennwerte für die drei Hauptkategorien von Wechselrichtern; die vorherrschenden Wechselrichter-Deratings, die von den Energieversorgern weitgehend akzeptiert und überprüft werden; und wie Sie durch die richtige Dimensionierung der Ausgangsleiter des Wechselrichters Zeit und Geld sparen können.

Nennwerte für verschiedene Wechselrichterkategorien

Es gibt drei Hauptkategorien von Wechselrichtern. Als Hintergrund zum Thema Kabeldimensionierung für String- und Zentralwechselrichter lohnt es sich, einen Blick auf eine Auswahl aktuell verfügbarer Nennwerte für jede Gruppe zu werfen:

1.Einphasige Stringwechselrichter:

Diese Wechselrichter gibt es in einer verwirrenden Vielfalt an Größen mit großer Kilowatt-Granularität, von 2 bis 12 kW mit vielen Iterationen dazwischen.

2.Dreiphasige Stringwechselrichter:

Im unteren Kilowattbereich verfügen diese Wechselrichter über die gleiche hohe Kilowattgranularität wie einphasige Stringwechselrichter, am oberen Ende des Bereichs gibt es jedoch größere Lücken bei den kW-Nennwerten, da die Hersteller immer mehr verfügbare Größen anbieten. Diese Wechselrichter können von 2 bis 275 kW reichen.

3.Zentralwechselrichter:

Die Definition, welche Nennleistung einen „zentralen“ Wechselrichter ausmacht, ändert sich ständig, und diese großen Geräte verfügen tatsächlich über einige wirklich seltsame Kilowatt-Nennwerte. Sie beginnen bei 1.910 kW und steigern sich auf 6.800 kW.

Ich bezweifle, dass irgendein Wechselrichterhersteller eine detaillierte Marktanalyse durchgeführt und herausgefunden hat, dass er mit einem Wechselrichter mit einer Nennleistung von 2.930 kW wirklich den Markt erobern kann, und dann losging und ihn entwickelte. Wechselrichterhersteller versuchen, mit ihrer bewährten Elektronikplattform, die die UL-Prüfung bestehen und schnell auf den Markt kommen kann, höhere Leistungsniveaus zu erreichen.

Darüber hinaus handelt es sich lediglich um die Kilowattwerte bei einem Leistungsfaktor von 1,0, einer idealen Leistungseinstellung. Mit der zunehmenden Durchdringung des Netzes mit wechselrichterbasierten dezentralen Energiesystemen bieten viele Wechselrichter nun erweiterte Nennwerte für den Betrieb mit einem Leistungsfaktor ungleich eins an. Vor zehn Jahren wurden String-Wechselrichter nur in Watt bewertet, heute werden sie sowohl in der tatsächlichen als auch in der gesamten Scheinblindleistungsfähigkeit (Kilowatt und Kilovoltampere [kVA]) bewertet, wobei die Blindleistung (kVAR) dem Benutzer überlassen bleibt Berechnen Sie, wie im Bild unten gezeigt:

Bildnachweis: Castillo Engineering

Der Betrieb mit anderen Leistungsfaktoren als dem Eins-Leistungsfaktor 1,0 führt zwar zu einem gewissen Verlust an kWh-Einnahmen, um die kVAR zu erzeugen, aber der Betrieb mit einem führenden Leistungsfaktor kann manchmal zu einer kostengünstigeren Versorgungsverbindung führen.

Herabstufung von Wechselrichtern für die Zusammenschaltung, da die Hersteller die Nennleistung der Wechselrichter schnell ändern

Bewertungen und Produktangebote ändern sich so schnell, dass zum Zeitpunkt der Bestellung von Wechselrichtern der Wechselrichter, den der Energieversorger im Coordinated Electric System Interconnect Review (CESIR) zugelassen hat, nicht mehr verfügbar ist, sondern einer mit einer etwas höheren Bewertung an seine Stelle getreten ist Die Nennwerte in Kilowatt steigen immer weiter an. Dem PV-Anlagenbesitzer ist es nicht gestattet, ein System mit höherer Wechselstromleistung an das Netz anzuschließen, ohne erneut mühsam durch die Warteschlange für die Versorgungsanalyse zurückzulaufen. Das Ergebnis ist, dass die neuen Wechselrichter herabgestuft werden müssen, um die AC-Nennleistung der Verbindung beizubehalten.

Als Beispiel für Änderungen der Wechselrichter-Nennleistung führte SolarEdge am 1. Mai 2022 eine umfassende Produktüberarbeitung durch, mit neuen Wechselrichtermodellen mit höherer Leistung und der Einstellung von Modellen mit niedrigerer Nennleistung. Beispielsweise werden die Modelle SE9k, SE14.4k und SE43.2k inzwischen eingestellt und durch SE10k, SE17.3k und SE50k ersetzt.

Ob das Typenschild des Wechselrichters oder die kontinuierliche Ausgangsleistung zur Dimensionierung der Leiter verwendet werden soll und welche Auswirkungen dies auf die Projektkosten hat

Ein besonderes Problem stellen Zentralwechselrichter dar, auch wenn ihre Ausgangsleiter in der Regel kurze Leitungen haben, um die hohe Ausgangsstromstärke des Wechselrichters von 480 V, 600 V, 630 V oder 800 VAC in einen Aufwärtstransformator zur Umwandlung in Mittelspannung zu übertragen. Aus Gründen der Vorlaufzeit werden Wechselrichter und Transformator häufig separat und nicht als werkseitig integriertes Gestell bestellt und müssen vor Ort mit einem benutzerdefinierten Bus (schwierig) oder Kabeln (häufiger) verbunden werden.

Die Regeln des National Electric Code (NEC, NFPA 70) für die Dimensionierung der AC-Ausgangsleiter des Wechselrichters sind seit 1999 dieselben. Artikel 690.8(A)(3) besagt, dass für den Strom des Wechselrichter-Ausgangskreises „der maximale Strom sein muss“. Dauerausgangsnennstrom des Wechselrichters. Bedeutet das also den auf dem Typenschild eingeprägten Wert, der die UL-Prüfung durchlaufen hat, oder den Wert der elektronisch begrenzten Leistung?

Wir haben in letzter Zeit mehrere Fälle gesehen, in denen der Ingenieur eines Eigentümers darauf beharrt hat, dass der volle Ausgangsstrom auf dem Typenschild verwendet werden muss, unabhängig von einem herabgesetzten Wert, der gemäß den Bedingungen des Utility Interconnect Agreement nicht überschritten werden darf, was zu Material- und Zeitverschwendung führte.

Bildnachweis: Castillo Engineering

Die hohen Stromausgänge erfordern viele parallele Leiterbahnen und viele Schraubverbindungen. Für den Anschluss eines auf 2500 kVA gedrosselten Wechselrichters sind neun Sätze mit 750 kcmil AL bei 75 °C erforderlich. Möchten Sie jedoch wirklich einen zehnten Satz für die volle Nennleistung von 2800 kVA betreiben? Sie werden schnell auf Platz- und Anschlussbeschränkungen stoßen. Ob NEC 75 0C, 90 0C oder eine andere Bewertungsmethode verwendet werden soll, wird in einer späteren Geschichte behandelt.

Manchmal ist es der Weg des geringsten Widerstands, das zu tun, was der Ingenieur des Eigentümers will, aber es kann zur Verschwendung von Hardware und Aufwand führen. Wenn die Kosten für installierte PV-Anlagen in Dollar pro Kilowatt immer noch sinken würden, würde das weniger schaden – aber das ist nicht der Fall.

Unterbrechungen in der Lieferkette haben auch häufig dazu geführt, dass während der Bauphase immer wieder gefordert wird, Kabelgrößen auszutauschen. Dies kann zu Anschlussproblemen führen, entweder durch zu viele kleinere Leiter, die nicht genügend Anschlussmöglichkeiten haben, oder durch Leiter, die zu groß für die werkseitig bereitgestellten Anschlüsse sind.

Der NEC gibt nicht „gemäß dem Typenschild des Wechselrichters“ an, sondern „die kontinuierliche Ausgangsleistung“. Es gibt keine religiöse Heiligkeit für das Wechselrichter-Typenschild und seine implizite Verbindung mit NEC-Artikel 690.8.

Wenn beispielsweise ein Energieversorger eine metallgekapselte Innenschaltanlage für ein Umspannwerk kauft, gibt es die 15-kV-Leistungsschalter nur in drei Grundgrößen: 1200 A, 2000 A und 3000 A. Sie verfügen nicht über den Luxus von PV Anlagenbesitzern steht eine große Auswahl an Wechselrichter-Kilowattgrößen zur Verfügung. Die meisten abgehenden Verteilerkabel werden nicht auf 1200 A ausgelegt sein, da dies zu viel des Guten wäre. Die Kabel sind für die zu erwartende Belastung dimensioniert und die Schutzrelais entsprechend eingestellt. Ein großes Umspannwerk kann problemlos über zwölf 1200-A-Einspeiseleistungsschalter verfügen, die von einer einzigen 3000-A-Hauptleitung gespeist werden. Die Angaben auf dem Typenschild der Leistungsschalter können ignoriert werden.

Überprüfung der Abnahme durch Energieversorger und der Leistungsreduzierung von Wechselrichtern

Die Notwendigkeit einer Leistungsreduzierung ist so weit verbreitet, dass Energieversorger die reduzierten Werte weitgehend akzeptieren, obwohl sie zunehmend eine zusätzliche Bestätigung verlangen, dass die Leistungsreduzierung tatsächlich vorgenommen wurde. Wie in den Anforderungen des DER Interconnection Design Package von Orange & Rockland angegeben:

„Wechselrichter-Typenschild: Wenn das Wechselrichter-Typenschild den Anwendungsschwellenwert überschreitet, ist ein Herstellerbrief erforderlich, der angibt, dass der Wechselrichter im Werk gekürzt wird. Der Brief kann generisch sein (zu diesem Zeitpunkt nicht projektspezifisch). Wenn das Projekt mit der Konstruktion fortfährt, dann Vom Wechselrichterhersteller ist ein projektspezifisches Schreiben mit der Projektnummer und den Seriennummern des Wechselrichters erforderlich.

Wenn der Energieversorger, der das Projekt genehmigt hat, die Reduzierung akzeptiert, sollte es keinen Grund geben, warum ein AHJ oder ein unabhängiger Ingenieur sie nicht ebenfalls akzeptieren sollte. Eine andere Möglichkeit, eine Festlegung auf das Leistungsschild auf dem Nennwert zu vermeiden, besteht darin, einfach ein geändertes Typenschild mit dem Wechselrichter zu bestellen oder vor Ort ein Schild mit dem herabgesetzten Wert anzubringen.

Namensschildbefestigungen sind nicht neu. Im Jahr 2009 wurde der von mir geleitete Energieversorger vom National Electric Reliability Council mit einer Geldstrafe von 7.000 US-Dollar belegt, weil er keine „Kabeltypenschild“-Bewertungen entsprechend seinem Bewertungsstandard angegeben hatte. Kabel haben keine Typenschilder, aber die Strafe wurde trotzdem bezahlt.

Die zentralen Thesen

Denken Sie bei Ihrem aktuellen oder bevorstehenden Solarprojekt darüber nach, wie hoch die tatsächlichen Anforderungen an die AC-Ausgangsstromstärke Ihrer Wechselrichter sind. Design, um diese Anforderungen sicher zu erfüllen; und verschwenden Sie nicht unnötig Geld. Das NEC „ist keine Bedienungsanleitung“, wie es in Artikel 90 heißt. Wenn Sie es befolgen, ist das Ergebnis möglicherweise sicher, aber möglicherweise nicht „effizient, praktisch oder für einen guten Service ausreichend“.

Seien Sie gespannt auf den zweiten Teil unserer Reihe zur Dimensionierung von PV-Kabeln, in dem wir uns damit befassen, ob Sie mit Ihren strengen Spannungsabfallkriterien tatsächlich Geld verdienen. Wenn Sie Fragen zum Entwurf und zur Technik von Solarenergieanlagen im Versorgungsmaßstab haben, nehmen Sie noch heute Kontakt mit einem unserer Experten auf.