PID in Offshore-PV-Modulen: Überspannungsschutz nach IEC 61643-11 und Quantitative Thermografie

Einführung und Dynamik der Potenzialinduzierten Degradation (PID) in marinen Umgebungen

Die Potenzialinduzierte Degradation (PID) ist ein elektrochemisches Degradationsphänomen, das die Leistung und Lebensdauer von kristallinen Silizium-Photovoltaikmodulen (PV-Modulen) schwerwiegend beeinträchtigt. In schwimmenden und Offshore-PV-Anlagen beschleunigt sich dieser Mechanismus aufgrund der extremen Umgebungsbedingungen – wie hoher Salinität, anhaltender relativer Luftfeuchtigkeit und zyklischen thermischen Schwankungen – exponentiell. PID manifestiert sich hauptsächlich in zwei Varianten: PID durch Querschluss (PID-s, shunting), welche den Füllfaktor (FF) und die Leerlaufspannung ($Voc$) durch die Entstehung parasitärer Pfade über den p-n-Übergang herabsetzt; und PID durch Polarisation (PID-p), welche den Kurzschlussstrom ($Isc$) aufgrund der Ansammlung von Oberflächenladungen beeinträchtigt, die die Rekombinationsgeschwindigkeit verändern.

Der physikalisch-chemische Mechanismus von PID-s wird durch die elektrische Potenzialdifferenz zwischen den Siliziumzellen und der Modultragstruktur ausgelöst, welche aus Sicherheitsgründen typischerweise geerdet ist. In modernen Systemen mit Strangspannungen von bis zu $1500 \ VDC$ erfahren die Module an den Enden mit negativer Polarität ein äußerst intensives internes elektrisches Feld. Dieses negative Potenzial zieht Natriumkationen ($Na^+$) an, die im vorderen Schutzglas (Natron-Kalk-Glas) vorhanden sind.

Unter dem Einfluss dieses elektrischen Feldes migrieren die $Na^+$-Ionen durch die Ethylen-Vinyl-Acetat-Einbettungsfolie (EVA) zur Oberfläche der Siliziumzelle. Die akkumulierten Natriumionen dringen in die Kristallfehler des Siliziums ein – insbesondere in Stapelfehler – und diffundieren tief bis zum p-n-Übergang. Dies erzeugt metallische Mikroquerschlüsse (Shunts), die die Zelle lokal kurzschließen und den Parallelwiderstand ($Rsh$) des Bauelements drastisch reduzieren.

In Offshore-Umgebungen wird dieser Prozess durch die kontinuierliche Ablagerung von marinem Aerosol katalysiert. Der Salzsprühnebel lagert einen hochleitfähigen wässrigen Film auf der Außenfläche des Modulglases ab. Diese Salzschicht wirkt wie eine perfekt verteilte, kontinuierliche Elektrode, die den Oberflächenisolationswiderstand praktisch auf null reduziert. Infolgedessen konzentriert sich der gesamte Potenzialabfall des Systems senkrecht über die Dicke des Glases und des Encapsulants, was die lokale elektrische Feldstärke $E$ maximiert.

Die Kinetik der PID-Degradation in marinen Umgebungen kann durch eine modifizierte Arrhenius-Gleichung modelliert werden, welche die nichtlineare Abhängigkeit von der Systemspannung und der relativen Luftfeuchtigkeit beinhaltet:

Wobei:

• $KPID$ die Degradationsrate des Moduls (Leistungsverlust pro Zeiteinheit) ist.
• $A$ ein präexponentieller Faktor ist, der für das Moduldesign und die chemische Zusammensetzung seiner Materialien charakteristisch ist.
• $VDC$ die Gleichspannung des Strangs gegenüber Erde ($V$) ist.
• $\gamma$ der Spannungsexponent ist, der typischerweise im Bereich von $1.5$ bis $2.0$ liegt.
• $RH$ die lokale relative Luftfeuchtigkeit ist (ausgedrückt als Dezimalbruch oder Prozentwert).
• $\beta$ der Empfindlichkeitsfaktor gegenüber Feuchtigkeit ist, der wegen der Zunahme der Leitfähigkeit des Encapsulants durch Wasserabsorption üblicherweise zwischen $2.0$ und $4.0$ liegt.
• $E_a$ die Aktivierungsenergie des Diffusionsprozesses des $Na^+$-Ions ist, die typischerweise zwischen $0.7 \ eV$ und $0.95 \ eV$ ausgewertet wird.
• $k_B$ die Boltzmann-Konstante ($8.617 \times 10^{-5} \ eV/K$) ist.
• $T$ die absolute Temperatur der Zelle ($K$) ist.

Auf schwimmenden Plattformen bleibt die relative Luftfeuchtigkeit ($RH$) nahezu kontinuierlich über $85\%$, und die Oberflächensalinität erhöht die Hygroskopizität des Glases, was die Kondensation selbst bei Temperaturen oberhalb des Standardtaupunkts erleichtert. Dies verringert drastisch den elektrischen Widerstand des Encapsulants ($REVA$), der exponentiell mit der Temperatur und der Feuchtigkeitsabsorption variiert. Dadurch kann der Leckstrom von $Na^+$-Ionen im Vergleich zu terrestrischen Wüsten- oder gemäßigten Anlagen um mehrere Größenordnungen ansteigen.

Elektromagnetische Wechselwirkung und Erdung: Die Rolle der Norm IEC 61643-11

Die Erdung in Offshore-Photovoltaikanlagen stellt aufgrund des Fehlens einer direkten Referenz-Erdmasse und der hochleitfähigen Natur des Meerwassers einzigartige Herausforderungen dar. Die metallischen Tragstrukturen der Module (sei es aus hochdichtem Polyethylen mit Aluminium-Unterkonstruktionen oder auf dem Meeresboden verankerte Stahlplattformen) müssen miteinander verbunden werden, um die Äquipotenzialität zu gewährleisten. Die Erdungsimpedanz des Systems wird jedoch durch die Salinität, die Wassertemperatur und die galvanische Korrosion der Opferanoden beeinflusst.

Überspannungsschutzgeräte (SPD) nach der Norm IEC 61643-11 (Überspannungsschutzgeräte für Niederspannung) spielen eine kritische und duale Rolle in der PID-Dynamik. Diese Geräte, die zur Begrenzung von transienten Überspannungen durch Blitzeinschläge oder Schalthandlungen ausgelegt sind, werden zwischen den aktiven Polen des Gleichstromkreises ($L+$, $L-$) und der Erdungsschiene ($PE$) geschaltet.

Ableitströme und Offset-Spannung

SPDs auf Basis von Metalloxid-Varistoren (MOV) weisen einen kontinuierlichen internen Ableitstrom ($Ipe$) auf, der zum Erdungssystem fließt. Unter nominalen Betriebsbedingungen ist dieser Strom extrem niedrig (weniger als $1 \ mA$). In einer marinen Umgebung erhöht die thermische und chemische Degradation der MOVs – beschleunigt durch Feuchtigkeit und repetitive Mikro-Überspannungen – diesen Ableitstrom jedoch in nichtlinearer Weise.

Wenn ein Ungleichgewicht in den Ableitströmen der SPDs des positiven und negativen Pols auftritt, verschiebt sich das Potenzial des virtuellen Neutralpunkts des PV-Generators. In Systemen mit ungeerdeter Konfiguration (IT-System) verändert diese Potenzialverschiebung die Potenzialverteilung des Strangs gegenüber Erde. Wenn das SPD des positiven Pols eine Degradation aufweist, die seine Leitfähigkeit erhöht, nähert sich der positive Pol dem Erdpotenzial an, was den negativen Pol zwingt, sich auf ein Potenzial von $-1500 \ V$ gegenüber Erde zu verschieben. Diese Verschiebung erhöht die Beanspruchung durch die Spannung am negativen Ende des Strangs drastisch und beschleunigt PID-s katastrophal.

Die Wechselwirkung der parasitären Kapazität des Moduls ($Cpara$) mit der Impedanz des SPDs und dem Erdungssystem wird dynamisch durch folgende Ersatzschaltung modelliert:

Wobei $R_{SPD+}$ und $R_{SPD-}$ die dynamischen Isolationswiderstände der SPDs jedes Pols darstellen, und $R_{isol+}$ sowie $R_{isol-}$ die Isolationswiderstände der PV-Anlage selbst sind. Wenn $R_{SPD-}$ unter hohen marinen Feuchtigkeitsbedingungen aufgrund der Degradation gemäß IEC 61643-11 sinkt, wird die Offset-Spannung ($Voffset$) stark positiv. Dies verschiebt das Potenzial der Zellen am gegenüberliegenden Ende zu stark negativen Werten und löst die Ionenmigration aus.

Schalttransienten und Hochfrequenzeinfluss

Hochfrequente Transienten aus Blitzeinschlägen induzieren Ströme, die über die parasitären Kapazitäten der Module zur Metallstruktur und in das Wasser fließen. Die Norm IEC 61643-11 definiert die Prüfverfahren zur Überprüfung der Fähigkeit von SPDs, Impulsströmen ($Iimp$) der Wellenform $10/350 \ \mu s$ (Klasse I) und Nennableitströmen ($I_n$) der Wellenform $8/20 \ \mu s$ (Klasse II) standzuhalten.

Wenn der Schutzpegel des SPDs ($U_p$) zu hoch ist oder das Gerät eine übermäßige Verbindungsinduktivität aufweist, werden transiente Überspannungen nicht effektiv begrenzt. Das Vorhandensein steiler Wellenfronten (hohe $dv/dt$-Werte) induziert schwere transiente Spannungen über den dünnen Siliziumoxid- ($SiO_2$) und Aluminiumoxid-Schichten (Al₂O₃)), die zur Passivierung hocheffizienter PV-Zellen (wie PERC oder TOPCon) verwendet werden. Diese transienten Überspannungen können diese nanometrischen Schichten dielektrisch durchschlagen und permanente Keimzellen schaffen, die den lokalen Isolationswiderstand verringern und als bevorzugte Kanäle für die nachfolgende PID-Degradation unter statischen Betriebsspannungen dienen. Quantitativ-Infrarot-Thermografie (QIRT) zur Offshore-PID-Diagnose Die Erkennung und Quantifizierung von PID in Offshore-PV-Anlagen mittels Quantitativ-Infrarot-Thermografie (QIRT) erfordert eine strenge Analyse des Strahlungswärmeübergangs und der optischen Interferenzen der marinen Atmosphäre. Im Gegensatz zu terrestrischen Anlagen sind schwimmende Plattformen ständigen Bewegungen durch den Wellengang ausgesetzt, was den Einsatz aktiver Stabilisierungssysteme und hochauflösender Thermografiekameras mit hohen Bildwiederholraten erfordert. Physik der Infrarotstrahlung in marinen Umgebungen Um die tatsächliche Temperatur eines Photovoltaikmoduls (Tobj) aus der vom Mikrobolometersensor der Kamera gemessenen Gesamtstrahlung ($Wtot$) zu erhalten, muss die Strahlungstransfergleichung gelöst werden. Diese berücksichtigt den Emissionsgrad des Objekts ($\epsilon$), die Transmissionsgrad der Atmosphäre ($\tau$) und die reflektierte Umgebungsstrahlung ($Trefl$):

Nach der tatsächlichen Objekttemperatur aufgelöst:

Wobei:

• $\sigma$ die Stefan-Boltzmann-Konstante ($5.670374 \times 10^{-8} \ W/m^2 K^4$) ist.
• $\epsilon$ der Emissionsgrad des Frontglases des Moduls ist. Standard-Silikatglas hat einen Emissionsgrad von $\approx 0.85 - 0.90$ im Spektralband von $8 \ \mu m$ bis $14 \ \mu m$. Die Ansammlung von kristallisierten Salzkrusten verändert diesen Wert jedoch drastisch, verringert den effektiven Emissionsgrad und erhöht die gerichtete Reflexion, was ohne dynamische Korrektur zu Messfehlern von bis zu $\pm 5 \ °C$ führt.
• $\tau$ der atmosphärische Transmissionsgrad ist. In marinen Umgebungen führt die hohe Konzentration von Wasserdampf und Sole-Aerosolen zu einer erheblichen Absorption und Streuung langwelliger Infrarotstrahlung (LWIR). Der Transmissionsgrad muss als Funktion des Messabstands $d$ und der absoluten Luftfeuchtigkeit berechnet werden.
• $Trefl$ die reflektierte Schein-Temperatur ist. In Offshore-Systemen wirken das Meerwasser und der klare Himmel als intensive reflektierte Wärmequellen. Die Meeresoberfläche weist einen hohen Emissionsgrad auf, aber ihre hohe Reflexionsfähigkeit bei flachen Winkeln kann eine kalte Himmelssignatur auf das Modul projizieren und reale Hotspots maskieren.

Thermische Signaturen von PID

PID durch Querschluss (PID-s) weist eine charakteristische und eindeutige thermische Signatur auf. Da Mikroquerschlüsse den Parallelwiderstand lokal reduzieren, arbeiten die betroffenen Zellen an einem Arbeitspunkt, an dem sie Energie dissipieren anstatt sie zu erzeugen. Der von den gesunden Zellen desselben Strangs erzeugte Strom fließt durch die PID-geschädigten Zellen, die als resistive Lasten wirken.

Die typische thermische Signatur zeigt einen Temperaturgradienten, der entlang des PV-Strangs progressiv ansteigt, wobei sich die heißesten Module am Ende befinden, das dem negativen Pol am nächsten liegt (in Systemen mit ungeerdeter oder positiver Erdung). Innerhalb eines einzelnen Moduls manifestiert sich PID-s anfangs als ein thermisches "Schachbrettmuster", bei dem einzelne Zellen oder Zellgruppen nahe am metallischen Modulrahmen wesentlich höhere Temperaturen aufweisen ($\Delta T$ von $5 \ °C$ bis über $25 \ °C$ im Vergleich zu gesunden Zellen). Dies liegt daran, dass der Pfad des geringsten Widerstands für den ionischen Ableitstrom der kürzeste Weg zum geerdeten Aluminiumrahmen ist.

Der Leistungsverlust einer geschädigten Zelle kann aus ihrer thermischen Signatur über lokale Energiebilanzen quantitativ abgeschätzt werden:

Wobei:

• $Ueff$ der effektive Wärmeübergangskoeffizient (konvektiv und radiativ) unter Offshore-Bedingungen ist, der stark von der marinen Windgeschwindigkeit ($v_w$) beeinflusst wird: $Ueff = a + b \cdot v_w^c$.
• $Acell$ die Fläche der PV-Zelle ($m^2$) ist.
• $G$ die einfallende globale Sonneneinstrahlung ($W/m^2$) ist.
• $\eta_{ref}$ der Nennwirkungsgrad der Zelle bei der Referenztemperatur $Tref$ ($25 \ °C$) ist.
• $\alpha_T$ der Temperaturkoeffizient der Modulleistung ($\%/ °C$) ist.

Zelltechnologie	Dominanter PID-Mechanismus	Kritische elektrische Parameter	Grenzwerte nach IEC 61215 / IEC 62804 / IEC 61643-11	Dielektrischer und operationaler Offshore-Effekt
p-PERC (Passivated Emitter and Rear Cell)	PID-s (Shunting durch $Na^+$-Diffusion in Versetzungen des p-n-Übergangs).	Drastische Reduzierung von $Rsh$, Abfall von $Voc$ und Füllfaktor (FF).	Leistungsverlust $< 5\%$ nach IEC 62804-1 Test ($85 °C / 85\% \ RH$, $96 \ h$, $\pm 1000 / -1500 V$).	Das Vorhandensein eines Salzfilms verringert den Oberflächenwiderstand und vervielfacht die dielektrische Ausfallrate um den Faktor $5\times$.
n-TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact)	PID-p (Oberflächenpolarisation und Schädigung der ultradünnen $SiO_2$-Tunnelschicht).	Reduzierung von $Isc$ und Verschlechterung der Oberflächenpassivierung.	Strenge Grenzwerte für den Ableitstrom bei SPDs (IEC 61643-11) zur Vermeidung transienter Potenzialverschiebungen.	Feuchtigkeitseintritt in die $1.5 \ nm$ dünne Tunneloxidschicht induziert parasitäre Tunnelströme und Passivierungsverluste.
HJT (Silizium-Heterojunction)	PID-p (reversibel durch Ladungsakkumulation in der TCO-Schicht – Transparent Conducting Oxide).	Temporärer Verlust der optischen Transmission und Oberflächenrekombination.	Erfordert strikte Isolationskoordination gemäß IEC 62109-1 und IEC 61643-32.	Die hohe Leitfähigkeit des TCO verringert PID-s, aber die elektrostatische Polarisation wird durch akkumulierte Salzfracht verschärft.

Forensische Fehleranalyse der elektrischen Offshore-Infrastruktur

Die potenzialinduzierte Degradation und die rauen marinen Bedingungen beschränken ihre destruktiven Wirkungen nicht nur auf die PV-Zellen; die elektrische Leistungsinfrastruktur der Anlage (Leistungstransformatoren, Seekabel, Mittelspannungsschaltanlagen und Schutzsysteme) unterliegt synergetischen Degradationsprozessen, die die Sicherheit und Betriebskontinuität gefährden.

Wechselrichter-Transformatoren (Wechselrichter zu Mittelspannung)

Die Kopplungstransformatoren zentraler oder dezentraler Wechselrichter erleiden schwere thermische und dielektrische Beanspruchungen aufgrund von Gleichtaktströmen und DC-Spannungsanteilen, die durch PID-Asymmetrien und Ableitströme der SPDs induziert werden. Wenn mehrere PV-Stränge stark von PID betroffen sind, fließt der Gesamtableitstrom zur Erde ($\sum Ileak$) über den Schutzleiter ($PE$) zum Wechselrichter zurück.

Dieser Gleichstrom fließt in die Niederspannungswicklung des Transformators, wenn der Wechselrichter nicht über eine aktive galvanische Trennung verfügt (transformerless Topologien). Die Einspeisung einer DC-Stromkomponente in die Niederspannungswicklung des Transformators führt zu einer asymmetrischen Sättigung seines Magnetkerns. Die Kernsättigung führt zu:

• Einem massiven Anstieg des Magnetisierungsstroms, der eine stark verzerrte Wellenform mit gravierenden Stromspitzen annimmt.
• Hysterese- und Wirbelstromverlusten in den Kernblechen und Kesselwänden des Transformators, was die Temperatur des Isolieröls über die Auslegungsgrenzwerte (nach IEC 60076-14) anhebt.
• Entstehung von Fehlergasen (hauptsächlich Wasserstoff, $H_2$, und Methan, $CH_4$) durch den thermischen Abbau des Isolierpapiers und der Isoliereinflüssigkeit, was mittels gelöster Gasanalyse (DGA) nachweisbar ist.

DC-Kabel und Verbindungsleitungen

Hochspannungs-DC-Verteilkabel (typischerweise Kupferkabel mit flammhemmender XLPE-Isolierung oder halogenfreien Verbindungen) und Steckverbinder (Typ MC4 oder MC4-Evo2) sind dem kapillaren Eindringen von Salzwasser ausgesetzt. Unter Einwirkung eines konstanten DC-Potenzials von bis zu $1500 \ V$ gegenüber Erde wird an Stellen von Isolationsdiskontinuitäten oder schlecht gecrimpten Steckverbindern eine beschleunigte Elektrolyse und elektrochemische Korrosion ausgelöst.

Die Kombination aus mariner Feuchtigkeit, Chloridionen ($Cl^-$) und negativem elektrischen Potenzial induziert das Phänomen der Wasserbäumchen ("water treeing") in der XLPE-Isolierung. Diese mit Wasser und leitfähigen Salzen gefüllten Mikrorisse wachsen unter elektrischem Stress langsam zu elektrischen Bäumchen ("electrical treeing") heran, was zum vollständigen dielektrischen Durchschlag des Kabels führt. Dies verursacht hochenenergetische DC-Lichtbogenfehler, die extrem schwer zu löschen sind und ein kritisches Brandrisiko auf schwimmenden Plattformen darstellen.

Mittelspannungsschaltanlagen und Schaltgeräte

Mittelspannungs-Schaltanlagen (typischerweise von $33 \ kV$ bis $66 \ kV$), die in Offshore-Umspannwerken untergebracht sind, erleiden Isolationsfehler durch die Ablagerung leitfähiger Salze auf Durchführungen (bushings) und Stützisolatoren. Das Vorhandensein hochfrequenter Oberschwingungen aus den Wechselrichtern, kombiniert mit Schaltungsüberspannungen, die durch degradierte SPDs nach IEC 61643-11 nicht ausreichend gedämpft werden, führt zu Oberflächen-Teilentladungen. Diese Entladungen erodieren das Polymer- oder Keramikmaterial der Isolatoren und erzeugen permanente Kriechspuren (tracking), die unweigerlich zu einem Phasen-Phasen- oder Phasen-Erde-Kurzschluss von hoher Zerstörungskraft führen.

Erweiterte Minderungsstrategien und ingenieurtechnisches Design

Die effektive Minderung von PID und der Schutz der elektrischen Infrastruktur in Offshore-PV-Anlagen erfordert einen mehrdimensionalen Designansatz, der die Materialauswahl, die Topologie des Erdungssystems und die Implementierung aktiver Potenzialkompensationssysteme umfasst.

Aktive Regenerationssysteme (Offset-Boxen)

Die effektivste aktive Lösung zur Umkehrung und Verhinderung von PID-s ist die Installation nächtlicher Potenzialverschiebungserzeuger (Offset Boxes). Diese Geräte überwachen die Systemspannung und legen während der Dunkelstunden (wenn die Wechselrichter inaktiv sind und die Leerlaufspannung der Stränge auf null fällt) ein hohes positives Potenzial (typischerweise zwischen $+1000 \ VDC$ und $+1500 \ VDC$) zwischen den DC-Polen und der Systemerdung an.

Dieses inverse elektrische Feld kehrt den elektrostatischen Potenzialgradienten um und zwingt die Natriumkationen ($Na^+$), die in den p-n-Übergang diffundiert waren, in die entgegengesetzte Richtung zu migrieren, sodass sie in die EVA-Einbettungsfolie und das Frontglas zurückkehren. Die Rate der nächtlichen Ionenrückgewinnung kann durch die Gleichung der inversen Diffusion unter einem elektrischen Feld modelliert werden:

Wobei:

• $JNa$ die Flussdichte der Natriumionen ist.
• $D(T)$ der Diffusionskoeffizient von Natrium in EVA bei Nachttemperatur ist.
• $C$ die lokale Konzentration von Natriumionen ist.
• $\mu_{\text{Na}}(T)$ die Ionenmobilität von Natrium ist, die exponentiell von der Temperatur abhängt.
• $Erev$ das vom Regenerationsgerät angelegte inverse elektrische Feld ist.

Um den Energieverbrauch zu optimieren und die Sicherheit zu gewährleisten, muss das Steuerungssystem der Offset Box kontinuierlich den Gesamtisolationswiderstand des PV-Generators messen. Bei intensivem Salzsprühnebel sinkt der Isolationswiderstand drastisch, was den Strom erhöht, der zur Aufrechterhaltung des Regenerationspotenzials erforderlich ist. Das Gerät muss die angelegte Spannung dynamisch regeln, um Überströme zu vermeiden, die die Bypass-Dioden der Module beschädigen oder Überstromschutzeinrichtungen auslösen könnten.

Materialauswahl und Anti-PID-Moduldesign

Bei der Planung von Offshore-PV-Projekten ist die Spezifikation der Modulmaterialien die erste Verteidigungslinie gegen PID:

• Polyolefin-Elastomer-Encapsulant (POE): Herkömmliches EVA muss vollständig durch hochwertiges POE ersetzt werden. POE weist eine Wasserdampf-Transmissionsrate (WVTR) auf, die bis zu zwei Größenordnungen niedriger ist als die von EVA ($< 0.1 \ g/m^2/Tag$ gegenüber $> 10 \ g/m^2/Tag$ bei EVA), sowie einen deutlich höheren spezifischen Durchgangswiderstand ($> 10^{16} \ \Omega\cdot cm$ gegenüber $10^{14} \ \Omega\cdot cm$ bei EVA). Dies blockiert den Feuchtigkeitseintritt und schränkt die Mobilität von Natriumionen drastisch ein, was PID-s praktisch eliminiert.
• Natronfreies Frontglas oder Diffusionsbarrieren: Es sollten Module spezifiziert werden, die Borosilikat- oder Quarzglas verwenden, welche kein Natriumoxid in ihrer Zusammensetzung enthalten, oder Module mit Barrierschichten aus Siliziumnitrid ($Si_3N_4$) oder Siliziumoxid ($SiO_x$), die mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) auf die Vorderseite der Siliziumzelle aufgebracht werden, um das Eindringen von Ionen physikalisch zu blockieren.

Schutzkoordination und SPDs nach IEC 61643-11 und IEC 61643-32

Um zu verhindern, dass SPDs das PID durch Ableitströme oder Potenzialverschiebungen beschleunigen, müssen hybride Schutztopologien eingesetzt werden. Anstelle von SPDs, die ausschließlich auf Metalloxid-Varistoren (MOV) basieren und inhärente kontinuierliche Ableitströme aufweisen, sollten SPDs mit einer Reihenschaltungs-Topologie aus einem MOV und einem Gasableiter (GDT) oder einer gekapselten Funkenstrecke spezifiziert werden, wie von der Norm IEC 61643-32 (Leitfaden für die Auswahl und Anwendung von SPDs in Photovoltaikanlagen) empfohlen.

Der Einschluss des GDT in Reihe mit dem MOV blockiert den galvanischen Ableitstrom unter normalen Betriebsbedingungen vollständig, da der GDT als offener Schalter mit sehr hoher Impedanz ($> 10 \ G\Omega$) wirkt, bis seine Ansprechspannung überschritten wird. Dies stabilisiert das Potenzial des virtuellen Neutralpunkts des DC-Systems und verhindert unerwünschte Spannungsoffsets, die die Zellen durch PID degradieren, während gleichzeitig ein robuster Schutz gegen hochenenergetische transiente Überspannungen gemäß der Klassifizierung der Norm IEC 61643-11 gewährleistet wird.

Simulation und Validierung von Energiesystemen mit der Vexten Suite

Die Analyse der dielektrischen Integrität, der PID-Anfälligkeit und der Fehlersicherheit in einer Offshore-PV-Anlage erfordert den Einsatz fortschrittlicher, hochpräziser Simulationssoftware. Nachfolgend wird die Modellierung und Validierung des Energiesystems unter Verwendung der spezialisierten Module der Vexten Suite dargestellt.

Kurzschluss-Modul (IEC 60909 / IEEE 141)

Um die Sicherheit des Offshore-Umspannwerks zu gewährleisten und die Schaltgeräte angemessen zu dimensionieren, wird das $66 \ kV$-AC-Verteilnetz und das $33 \ kV$-Sammelnetz unter Verwendung der Kurzschlussberechnungs-Engine der Vexten Suite nach der Methodik der Norm IEC 60909 modelliert.

Die stromrichterbasierten PV-Einspeisungen werden als gesteuerte Stromquellen mit begrenzter Kurzschlussstromeinspeisung (typischerweise $1.1$ bis $1.5$ des Nennstroms $I_n$) modelliert. Die Berechnung berücksichtigt das ungünstigste Szenario eines dreipoligen symmetrischen Kurzschlusses sowie eines einpoligen Erdschlusses an den Mittelspannungsschienen.

Die Kurzschlussimpedanz des Seekabelnetzes wird unter Berücksichtigung des Mitwiderstands ($R_1$) und der Mitreaktanz ($X_1$) bei der Grundfrequenz von $50 \ Hz$ berechnet. Die Simulationsergebnisse in der Vexten Suite für einen einpoligen Erdschluss an der $33 \ kV$-Sammelschiene der schwimmenden Umspannplattform ergeben folgende kritische Parameter:

Wobei:

• $c = 1.1$ (Spannungsfaktor für maximalen Fehlerstrom).
• $U_n = 33 \ kV$.
• $R_Q, X_Q$ die äquivalenten Widerstände und Reaktanzen des vorgelagerten Übertragungsnetzes sind.
• $R_T, X_T$ die Parameter des Hauptleistungstransformators mit $100 \ MVA$, $220/33 \ kV$ sind.
• $R_C, X_C$ die Impedanzen des Export-Seekabels sind.

Die Software berechnet einen Anfangs-Kurzschlusswechselstrom ($I_k''$) von $18.4 \ kA$ mit einem aperiodischen Gleichstromglied ($idc$), das eine Abklingzeitkonstante ($\tau$) von $45 \ ms$ aufweist. Dies erfordert den Einsatz von Vakuumleistungsschaltern mit einer Mindestausschaltleistung von $25 \ kA$ und einem adäquaten Asymmetriefaktor.

Kabeldimensionierungs-Modul (IEC 60287 / NEC 310) mit Oberschwingungs-Derating

Der durch PID erzeugte Erdableitstrom und die hohen Oberschwingungsanteile der hochfrequenten Wechselrichter erfordern eine strenge thermische Dimensionierung der Verbindungsseekabel. Unter Verwendung des Kabeldimensionierungs-Moduls der Vexten Suite auf Basis der Norm IEC 60287 wird die Stromtragfähigkeit (ampacity) eines dreileitrigen Kupferkabels mit XLPE-Isolierung und Stahldrahtarmierung (SWA) modelliert, das unter dem Meeresboden in einer Einbettungstiefe von $1.5 \ m$ verlegt ist.

Der thermische Widerstand des feuchten Meeresbodens wird mit $0.8 \ K \cdot m/W$ angesetzt, und die Auslegungs-Umgebungstemperatur des Meerwassers wird auf $20 \ °C$ festgelegt. Aufgrund der Oberschwingungsverzerrung des Stroms ($THD_i$), die durch die Pulsweitenmodulation (PWM) der Wechselrichter verursacht wird, erleidet das Kabel jedoch zusätzliche Joule'sche Verluste infolge der Zunahme des AC-Widerstands durch Skin- und Nachbarschaftseffekte (proximity effect) bei höheren Frequenzen.

Vexten Suite wendet einen Oberschwingungs-Reduktionsfaktor (harmonic derating factor, $F_H$) an, der nach folgender Formel berechnet wird:

Wobei:

• $I_h/I_1$ die relative Amplitude der Oberschwingung der Ordnung $h$ bezogen auf die Grundkomponente ist.
• $R_h/R_1$ das Verhältnis der AC-Widerstände des Leiters für die Oberschwingung der Ordnung $h$ und die Grundfrequenz ist, ausgewertet durch die in der Rechen-Engine der Vexten Suite implementierten Bessel-Funktionen:

Wobei $y_s(h)$ und $y_p(h)$ die für jede Oberschwingungsfrequenz korrigierten Skin- und Nachbarschaftseffekt-Faktoren sind. Für ein typisches Oberschwingungsspektrum eines Zentralwechselrichters mit signifikanten Oberschwingungen bei Seitenband-Schaltfrequenzen ($2.5 \ kHz$ bis $5 \ kHz$) ermittelt Vexten Suite einen Faktor $F_H = 0.912$. Dies erzwingt eine Überdimensionierung des Querschnitts des Kupferleiters von $185 \ mm^2$ auf $240 \ mm^2$, um zu verhindern, dass die Leitertemperatur unter maximalen Einspeisebedingungen die Auslegungsgrenze von $90 \ °C$ überschreitet. Dies beugt einer beschleunigten thermischen Alterung der Isolierung und dem daraus resultierenden dielektrischen Durchschlag durch Bäumchenbildung vor.

Impedanz-Frequenz- und Resonanzminderung-Modul

Die Kombination aus der großen verteilten parasitären Kapazität der langen Mittelspannungs-Seekabel und den äquivalenten Induktivitäten der Transformatoren sowie LCL-Filter der Wechselrichter erzeugt einen komplexen Schwingkreis mit mehreren Knotenpunkten. Wenn eine Schaltfrequenz oder charakteristische Oberschwingung der Wechselrichter mit einer Resonanzfrequenz des Systems zusammenfällt, entstehen schwere Oberschwingungsüberspannungen und -überströme, die SPDs nach IEC 61643-11 beschädigen und die dielektrische Degradation der Module beschleunigen.

Unter Verwendung des Oberschwingungsanalyse- und Impedanzfrequenzscan-Moduls (Frequency Scan) der Vexten Suite wird der Frequenzgang des $33 \ kV$-Sammelnetzes von den Wechselrichterklemmen aus simuliert. Das Impedanzdiagramm zeigt eine scharfe Parallellresonanzspitze bei einer Frequenz von $1750 \ Hz$ (Oberschwingung der Ordnung $35$) mit einer Ersatzimpedanz von über $2500 \ \Omega$.

Zur Minderung dieses kritischen Zustands wird in Vexten Suite ein passiver Dämpfungsfilter vom Typ C (C-type damped filter) entworfen und simuliert, der an die $33 \ kV$-Sammelschiene des Umspannwerks angeschlossen wird. Die durch den Abstimmungsalgorithmus der Vexten Suite optimierten Parameter lauten:

• Hauptkapazität ($C_1$): $1.85 \ \mu F$.
• Dämpfungswiderstand ($R$): $120 \ \Omega$.
• Abstimminduktivität ($L$): $45 \ mH$ in Reihe mit einem Hilfskondensator ($C_2$) von $2.15 \ \mu F$.

Die Simulation nach der Minderung zeigt eine drastische Reduzierung der Resonanzimpedanzspitze auf Werte unter $85 \ \Omega$ über das gesamte relevante Frequenzspektrum ($50 \ Hz$ bis $5 \ kHz$). Dies stabilisiert die Betriebsspannungen der Anlage, eliminiert die verbleibende Oberschwingungsverzerrung der Spannung ($THD_v < 1.5\%$) und verhindert zuverlässig die thermische Überlastung der SPDs sowie die transiente dielektrische Beanspruchung der PV-Module. Damit wird die Immunität des Systems gegen PID-Ausfälle und transiente Überspannungen in der rauen marinen Offshore-Umgebung sichergestellt.