Notstrom für PV-Anlage

25.08.2022

Notstrom und PV-Anlage? Wie geht das richtig?

Moderne Gesellschaft bewegt sich in Richtung Flexibilität und erneuerbare Energien.

Strominsellösungen sind zu einem Trend geworden und werden immer mehr verbreitet. Immer mehr Haushalte entscheiden sich für Solaranlagen mit Batteriespeicher.

Könner & Söhnen arbeitet immer daran die besten und die optimalsten Lösungen im Bereich "Notstromversorgung" auf den Markt zu bringen. So haben wir auch Notstromlösungen für Haushalte mit PV-Anlagen.

Das Thema "Notstromversorgung und PV-Anlage" mag ungewöhnlich klingen, braucht in der Tat aber eine besondere Aufmerksamkeit. Eine bestehende PV-Anlage und ein Notstromerzeuger als Reserve sollen zu einander passen.

Ein Notstromerzeuger bildet mit bestehender PV-Anlage und internen Stromverbrauchern ein geschlossenes System, deren Elemente eine Auswirkung auf einander haben. So muss der Notstromerzeuger unter anderen Bedingungen funktionieren als ein an das öffentliche Stromnetz angeschlossener Stromerzeuger. Im öffentlichen Netz sind die Lasten verteilt und die Stromverbraucher durch unterschiedliche Stromabnahme einander ausgleichen.

In modernen Haushalten gibt es jede Menge elektronische Stromverbraucher, deren Stromabnahme in den meisten Fällen vom Sinus abweicht. So entsteht eine ungleichmäßige Belastung der Spannungskurve. In manchen Fällen ist sie extrem nichtlinear.

Hier sind einige Beispiele der Spannung (Gelb) und der Stromabnahme (Grün) beim Betrieb vom öffentlichen Stromnetz:

LED-Beleuchtung

Ladegerät für Handys

Bluray-Receiver

Soundbar

Fernseher ohne PFC

Monitor

Netzteil Laptop

Gerät mit gemischtem Netzteil

Man sieht auch bei der Außenstromnetz-Spannung eine leichte Verformung im Bereich von Maxima durch gesamt induktiven Charakter der Lasten im öffentlichen Stromnetz.

Der 230V-Wert zeigt nur die Wirkspannung und hat mit dem tatsächlichen Spannungswert wenig zu tun. Es wird angenommen dass die Spannung sinusförmig ist und die 230V sind dann ca. 1,41 vom Maximalwert der Spannung.

Und wie sieht es aus mit einem Notstromgenerator?

Spannung (Gelb) und Strom (Grün) von einem Inverter und einem konventionellen Generator unter elektronischer Last (elektronisches Gerät mit Schaltnetzteil) im Vergleich:

Wechselrichter

Konventioneller Generator

Man sieht eindeutig dass die Spannungsform von einem Wechselrichter und einem konventionellen Generator unter nichtlinearer Belastung sich extrem unterscheiden, obwohl die Wirkspannung erhalten bleibt.

Außerdem ist die Auswirkung der Spannungsform auf die Stromabnahme des elektronischen Stromverbrauchers selber zu bemerken. Gesondert zu bemerken die Übergangsprozesse an den Punkten wo die Stromspitze kommt. Es entstehen schädliche Oberschwingungen, deren Auswirkung auf Stromverbraucher und Generator kann alles anderes als gut zu bezeichnen sein.

Eine Verformung der Spannung von einem konventionellen Generator hat rein physikalische Gründe und ist nicht zu vermeiden. Bei einem konventionellen Stromerzeuger geht vor allem um eine Umwandlung der mechanischen Energie in die elektrische. Die Ausgangsspannung des Generators wird durch Erregungsstrom geregelt. Der Erregungsstrom fließt durch die Erregungswicklung und kann wegen Zeitkonstante nicht punktweise geregelt werden. Somit ist keine genaue Korrektur der Spannungsform möglich.

Bei einem Wechselrichter ist es anders. Da wird die Sinus-Spannung elektronisch erzeugt und die Spannungsform kann besser kontrolliert werden.

Die Wechselrichter-Spannung ist öfter besser als die Spannung im öffentlichen Stromnetz:

Spannungsform VDN-Netz

Spannungsform Wechselrichter

Die glücklichen PV-Anlagen Besitzer können sich auf gute Wechselrichter-Spannung freuen, jedoch mögen eine Sorge haben:

Was macht man wenn Batteriespeicher wenig Ladung hat und nicht ausreichend Energie von Sonne kommt? Für den Fall braucht man einen Notstromerzeuger und es muss der Richtige sein!

Wir empfehlen ausschließlich einen Inverter-Generator als Reserve zu verwenden:

Der Generator muss gleichzeitig die Ladung des Batteriespeichers aufzufüllen und interne Stromverbraucher im Hause versorgen. So muss der Generator ausreichend Leistung und möglichst gute Spannungsform erzeugen.

Diese Lösung ist aber NUR bei Off-Grid PV-Wechselrichtern zu verwenden!

Der Wechselrichter schaltet die Spannung des Generators weiter an die Stromverbraucher und lädt gleichzeitig die Batterie durch eingebautes leistungsstarkes Lademodul. Die in den PV-Wechselrichtern eingebauten Lademodule haben in der Regel keine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und haben eine extrem nichtlineare Stromaufnahme:

Die Spannung von einem konventionellen Generator wäre schon vom Lademodul des Wechselrichters alleine verzerrt und für empfindliche Stromverbraucher im Hause unter gewissen Bedingungen wegen zu hohem Anteil der Oberschwingungen nicht zu verwenden.

Wenn dazu noch interne Stromverbraucher mit einer Phasenschnittsteuerung kommen, kann es zu extremen Spannungsverzerrungen kommen. Der Generator mit Inverter-Technologie liefert in dem Fall viel bessere Spannung:

Konventioneller Generator

Inverter-Generator

Leider werden momentan im Netz bezüglich Forderungen an Spannung für empfindliche Stromverbraucher viele Falschinformationen verbreitet. Es wird immer wieder behauptet, dass für empfindliche Stromverbraucher sehr hohe Stabilität der Spannung von 230V und der Frequenz von 50Hz entscheidend ist und werden unsinnige Forderungen in der Art "230V +- 2%" etc. gestellt und gleichzeitig behauptet dass dies eine Lösung sei. Es ist aber falsch. Es reicht schon einen Blick auf ein beliebiges elektronisches Gerät oder sein Netzteil zu werfen um festzustellen, dass dies nicht stimmt. Als Beispiel ein Laptop-Netzteil ohne Leistungsfaktorkorrektur, das zu empfindlichen Stromverbrauchern gehört:

Entscheidend ist die Spannungsform. Jede Abweichung vom Sinus, heißt Oberschwingungen und es liegt alleine an der Bauweise des jeweiligen Stromverbrauchers wie er darauf reagiert.

Eine "saubere" Sinusspannung ist wichtig für viele moderne Stromverbraucher und wir haben dafür passende Notstromlösungen mit unseren leistungsstarken Stromerzeugern mit Inerter-Technologie.

Das einzigartige Modell KS 8100iE ATSR mit 7,2 kW Nennleistung und ATS-Anschluss für automatischen Betrieb kann bei unterschiedlichen PV-Anlagen und Anlagen mit USVs eingesetzt werden.

Externe ATS-Box kontrolliert die 230V-Spannung an der "City"-Seite, startet den Generator beim Wegfall dieser Spannung und schaltet die Last auf den Generator um. Nach dem Wiederkehren der Spannung auf der "City"- Seite schaltet die ATS auf "City" um und stoppt den Generator. So kann die durch USV unterstützte Anlage ununterbrochen betrieben werden:

Die USV ist in der Lage die Stromversorgung für 10-15 Minuten zu übernehmen was vollkommen ausreicht um den Generator zu starten. Bei USVs mit größeren Batteriespeichern, deren Kapazität für zumindest einige Stunden ausreicht soll der Generator auf ähnliche Weise wie bei PV-Anlagen eingesetzt werden.

PV-Anlagen verfügen in der Regel über Batteriespeicher mit mehreren kWh Energie, die die Stromversorgung angeschlossener Stromverbraucher stundenlang aufrechterhalten können und da muss der Generator auf andere Weise eingesetzt werden.

Der Generator muss nur ab gewisser Grenze der Ladung des Batteriespeichers anlaufen. So muss ein Batteriewächter die Batteriespannung überwachen und beim Grenzwert den Stromkreis zu ATS unterbrechen und die ATS startet den Generator:

Verbindungen von R2 und R4 an den beiden Schützen zu dem LOAD-Anschluss müssen abgebaut werden damit der Strom im Normalfall nicht vom Ausgang des Wechselrichters zu seinem Eingang in einem Kreis läuft.

Die Spannung am Ausgang der ATS kommt nur nach dem Starten des Generators.

Potentialfreie Kontakte des Batteriewächters sind im Normallfall geschlossen und der Generator bleibt still. Durch Unterbrechen von LSS zu dem Batteriewächter kann ein Testlauf des Generators getätigt werden.

Potentialfreie Kontakte des Batteriewächters sollen für mindestens 250V 1A ausgelegt sein.

Anstatt des Batteriewächters kann man programmierbare potentialfreie Kontakte des Wechselrichters verwenden falls diese 250V 1A aushalten und fürs Überwachen der Batteriespannung programmiert werden können.

Bei einem vorhandenen Außenstromnetzanschluss muss noch ein zusätzlicher Transferschalter eingesetzt werden.

Bei netztgeführten On-Grid- und Hybrid-Wechselrichtern darf der Generator NICHT als Ersatz fürs öffentliche Stromnetz verwendet werden, da die Rückspeisung den Generator beschädigen kann. Das Gleiche betrifft auch AC-Batteriespeicher, da diese intern eine Batterie und einen Wechselrichter haben. Eine Ausnahme können Systeme mit Energiemanagement sein wo die Rückspeisung ausgeschlossen werden kann, sodass der Strom vom Wechselrichter nicht zum Generator fließt.

Der Wechselrichter und der eventuell vorhandene AC-Batteriespeicher bleiben dabei auf der Seite des öffentlichen Stromnetzes hinter dem Lastumschalter, mit dem interne notstromberechtigte Stromverbraucher auf den Generator allpolig umgeschaltet werden und mit dem eine separate Strominsel bilden.

Anschlussplan bei Verwendung von Inverter-Generatoren ohne ATS-Funktion:

Bei Generatoren mit ATS wird der gleiche Anschlussplan verwendet, wo aber anstatt des manuellen Lastumschalters der in der ATS-Box eingebaute Umschalter seine Funktion übernimmt.

Bei Off-Grid- und Hybrid-Wechselrichtern empfehlen wir konventionelle Generatoren ausschließlich fürs Laden des Batteriespeichers über ein externes Ladegerät zu verwenden.

Der Generator mit dem externen Ladegerät sorgt fürs Laden des Batteriespeichers und macht das Gleiche wie ein Solarfeld mit dem Laderegler. Die Hausstromversorgung erfolgt nach wie vor mit einer "sauberen" Sinusspannung vom Wechselrichter.

Hier ist eine Lösung für Modelle KS 7000E ATS und KS 10000E ATS:

Das Ein- und Ausschalten des Generators wird entweder von einem Batteriewächter mit Schaltkontakten oder von programmierbaren potentialfreien Kontakten im Wechselrichter oder auch anderem Steuergerät gesteuert.

Die Schaltkontakte müssen die Spannung von 250V und den Strom bis zu 1A aushalten. Die Ausgangsspannung des Wechselrichters wird über diese Kontakte an die ATS des Generators geleitet und durch Öffnen und Schließen der Kontakte wird der Generator entsprechend gestartet oder gestoppt.

Normalzustand der PF-Kontakte ist "geschlossen".

Die PF-Kontakte werden beim Erreichen der eingestellten unteren Grenze der Batterie-spannung geöffnet, die Generator-ATS bekommt keine Spannung mehr und der Generator startet. ATS-Funktion muss aktiviert werden.

Die PF-Kontakte werden beim Erreichen der eingestellten oberen Grenze der Batteriespannung geschlossen und der Generator stoppt. Diese Spannung darf aber nicht höher eingestellt werden als die maximale Spannung des Ladegeräts, sonst läuft der Generator ununterbrochen.

Der eingesetzte externe Transferschalter sorgt dafür, dass das Ladegerät nur nach dem Starten des Generators den Strom bekommt. Der automatische Transferschalter schaltet auf R-Seite wenn auf seiner N-Seite keine Spannung mehr anliegt (PF-Kontakte geöffnet) und auf der R-Seite kommt (Generator gestartet). Beim Wiederkehren der Spannung auf der N-Seite (PF-Kontakte geschlossen) schaltet er auf N um. Ein Testlauf des Generators kann durch Öffnen des LS-Schalters aktiviert werden.

Externer Transferschalter kann auch erspart werden wenn man den Stromkreis von Außenstromquelle zum Ausgang intern in der Generator-ATS unterbricht. Das Außenleiterkabel zu Umschaltrelais soll abgezogen und isoliert werden, sodass die Steuerelektronik immer noch die 230V überwachen kann, diese wird aber nicht durch Relais zum Ausgang des Generators weitergeleitet.

Relais in der ATS soll ausschließlich den vom Generator selber produzierten Strom weiterleiten. Nach dem Starten des Generators kontrolliert die ATS wichtige Parameter und erst umschaltet.

In unserem Produktionsprogramm haben wir auch Generatoren mit externen ATS-Einheiten und diese können auf die gleiche Weise eingesetzt werden.

Hier ist eine mögliche Lösung für Modelle mit externen ATS:

Externer Transferschalter kann auch hier erspart werden wenn man den Stromkreis von Außenstromquelle zum Ausgang intern in der ATS unterbricht. Die Kabel vom Ausgang des Schützes oder Umschalters, die bei Stromversorgung seitens Außenstromquelle aktiv sind, sollen abgebaut werden, sodass der Strom zum Ladegerät nur beim Betrieb vom Generator weitergeleitet wird.

Der Stromkreis von EXT.POWER zu OUTPUT in der ATS muss unterbrochen werden damit der Strom nicht in einem Kreis läuft, sondern das Ladegerät wird ausschließlich vom Generator versorgt.

Fürs Laden der Batterie empfehlen wir ein externes Ladegerät möglichst mit eingebauter Leistungsfaktorkorrektur zu verwenden. Zur Dämpfung von durch das Ladegerät verursachten Spannungsspitzen und Oberschwingungen bei Ladegeräte auf Basis von Schaltnetzteilen ohne eingebaute Leistungsfaktorkorrektur empfehlen wir eine angemessene ohmsche Last (z.B. IR-Glühbirne) als Ausgleichslast zum Ladegerät parallel anzuschließen.

Ladegeräte verbrauchen in der Regel nur die Maxima der Sinuskurve, was zu Stromspitzen, Oberschwingungen und hoher Blindlast führt.

Die auf den 50 Hz Transformatoren basierende Ladegeräte haben in der Regel den Leistungsfaktor 0,7-0,8. Ladegeräte auf Basis von Schaltnetzteilen können den Leistungsfaktor von 0,5-0,95 je nach Ausführung aufweisen.

Die Leistung des Ladegerätes soll je nach Bauweise nicht mehr als 50-70% der Nennleistung des Generators betragen da der Generator auch die benötigte Blindleistung zur Verfügung stellen muss.

Ladegeräte mit eingebauter Leistungsfaktorkorrektur verbrauchen beinahe gesamte Spannungswelle und sind mit einer ohmschen Last zu vergleichen.

Bei Systemen mit Energiemanagement wird öfter nur der Ladevorgang der Batterie seitens MPPT-Kontroller berücksichtigt. Fragen Sie beim Hersteller Ihres Wechselrichters nach ob das Laden der Batterie von einer externen DC-Stromquelle technisch zulässig ist.

Der Batteriespeicher kann auch von einem passenden Gleichstromgenerator direkt geladen werden, wenn dies bei der jeweiligen PV-Anlage technisch möglich ist.

Der Gleichstromgenerator wird direkt an den Batteriespeicher angeschlossen und ersetzt den Wechselstromgenerator und das Ladegerät.
Hier ist ein Beispiel der Verwendung vom KS 48-DC Gleichstromgenerator:

Auf dem Schalplan ist der Ladekontroller abgebildet, der bei den meisten modernen Wechselrichtern intern verbaut ist.

Der Generator startet im AUTO-Modus beim Erreichen vom unteren Spannungswert von 48V, lädt die Batterie mit der Spannung von bis 54V und mit dem Strom von bis zu 70A und geht aus sobald die Spannung 53,5-54V erreicht wird und der Ladestrom unter 20A kommt. Der Generator kann außerdem manuell oder extern durch PF-Kontakte gestartet und gestoppt werden, was unterschiedliche Anwendungen und das Integrieren in vorhandene Anlagen ermöglicht. Der Generator hat keine eigene Batterie und nutzt zum Starten im AUTO- und EXTERN CONTROL - Modus die Energie der zu versorgenden Batterie. Manuelles Starten mit dem Seilzugstarter ist ebenso möglich.

EXTERN CONTROL - Modus die Energie der zu versorgenden Batterie. Manuelles Starten mit dem Seilzugstarter ist ebenso möglich.

Beispiele der unterstützten 48V-Batteriespeicher:

  1. 4 in Reihe geschaltete AGM-Batterien mit dem Spannungsbereich: ca. 48-54V
  2. Batterien mit 14 in Reihe geschalteten LiIon-Zellen mit dem Spannungsbereich: ca. 47-56V
  3. Batterien mit 16 in Reihe geschalteten LiFePo4-Zellen mit dem Spannungsbereich: ca. 48-54V
  4. Batterien mit 15 in Reihe geschalteten LiFePo4-Zellen mit dem Spannungsbereich: ca. 45-51V (EXTERNAL CONTROL – Modus empfohlen).

Je nach Batteriespeicher und Wechselrichter ist entweder AUTO- oder EXTERNAL CONTROL – Modus zu verwenden. Die Aufgabe des Generators ist als Reserve-Stromquelle zu dienen und bei Bedarf einige kWh Energie in den Batteriespeicher zu laden, damit die vom Wechselrichter zu versorgende Stromverbraucher auch bei wenig Sonne und auch ohne den Strom vom VNB-Netz (Strominsellösung oder Stromausfall) versorgt bleiben. So läuft der Generator in der Regel ca. 1–2 Stunden und wird ausgeschaltet. Das Haus wird vom Batteriespeicher versorgt, der auch Leistungsspitzen auch beim Lauf des Generators ausgleichen kann.

Ein Haus verbraucht in der Regel nur einige Hundert Watt laufend und nur wenn ein leistungsstarkes Gerät eingeschaltet wird, steigt der Stromverbrauch um einige kW, wobei die Energie in dem Moment kann sowohl vom Generator als auch vom Batteriespeicher kommen weil die beiden parallel laufen. So kann die Stromabnahme für kurze Zeit auch höher als die Leistung des Generators steigen und die Stromversorgung des Hauses wie gewohnt erfolgt.

Der Generator im AUTO-Modus schaltet aus wenn die Stromabnahme unter 20A sinkt. Reaktionszeit ca. 30 Sekunden. Soll die Stromabnahme im Hause laufend über 1 kW sein, empfehlen wir den EXTERNAL CONTROL – Modus zu verwenden, oder den Generator manuell ausschalten.

Dank unterschiedlicher Betriebsmodi, lässt der Generator sich in unterschiedliche Stromversorgungssysteme integrieren.

Haftungsausschluss:

Diese Anleitung kann nur als eine Empfehlung wahrgenommen werden, ist anschaulich und muss bei der Installation an die genaue Umstände und Bedingungen vor Ort angepasst werden. Die Installation selber soll unter Beachtung von allen Normen und Vorschriften ausgeführt werden. Wir übernehmen keine Verantwortung für die falschen Installationen und deren Folgen.