Real-World Effects of Photovoltaic Systems on Grid Voltage Waveforms

Im Zuge der Energiewende werden immer mehr Photovoltaik (PV)-Anlagen in das Stromnetz eingebunden. Sie funktionieren grundlegend anders als herkömmliche Großkraftwerke und geben daher Anlass zu Bedenken hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Versorgungsqualität.
In diesem Zusammenhang führen Untersuchungen ob und wie PV-Anlagen die Netzspannungsverzerrungen beeinflussen zu widersprüchlichen Ergebnissen. Studien berichten von verringerten, erhöhten oder unveränderten Verzerrungen bei hoher PV-Einspeiseleistung im Vergleich zu niedriger PV-Einspeiseleistung. In all diesen Studien lassen sich die beobachteten Effekte nicht eindeutig der untersuchten PV-Anlage zuordnen. ... mehrAuch andere Netzteilnehmer (Lasten und Erzeuger) können Spannungsverzerrungen verändern, und ihr Einfluss lässt sich nur schwer von dem des PV-Systems trennen. Außerdem konzentrieren sich die meisten Studien auf über die Frequenz aggregierte Größen wie die harmonische Gesamtverzerrung der Spannung (THDV), ohne eine detaillierte Analyse auf spektraler Ebene zu betrachten. Insgesamt ist der tatsächliche Einfluss von PV-Anlagen auf Spannungsverzerrungen auf detaillierter spektraler Ebene nach wie vor unbekannt. Daher kann dieser Einfluss bei der Analyse der Netzqualität in Simulationen nicht berücksichtigt werden. Diese Arbeit schließt diese Lücke auf methodischer, empirischer und simulativer Ebene.
Dazu wird eine innovative Feldmessmethode vorgestellt, mit der sich der Einfluss von PV-Anlagen auf Spannungsverzerrungen auf einer detaillierten spektralen Ebene bewerten lässt. Die Mess- und Analysemethode geht damit über herkömmliche aggregierte Messgrößen (THDV) hinaus zu einer vollen Spektralanalyse und ermöglicht außerdem, die beobachteten Veränderungen der Spannungsverzerrungen dem untersuchten System zuzuordnen. Die in mehreren Feldstudien angewandte neue Methode zeigt, dass PV-Anlagen einen frequenzabhängigen Einfluss auf Spannungsverzerrungen haben. Einzelne Verzerrungskomponenten werden je nach ihrer Frequenz verstärkt oder abgeschwächt. Jedes der untersuchten PV-Systeme hat einen anderen Einfluss auf Spannungsverzerrungen. Diese individuellen und frequenzabhängigen Effekte hängen sowohl von der angeschlossenen PV-Anlage als auch von den aktuellen Netzbedingungen ab. Durch zusätzliche Messungen und Untersuchungen lässt sich der Effekt auf die Impedanzcharakteristik der PV-Systeme, welche hauptsächlich durch den netzseitigen Filter des PV-Wechselrichters bestimmt wird, im Verhältnis zur vorliegenden Netzimpedanz zurückführen.
Um das beobachtete Verhalten in simulativen Studien zu integrieren, identifiziert diese Arbeit einen geeigneten Modellierungsansatz, der rechnerisch effizient ist und eine hohe spektrale Auflösung ermöglicht. Zusätzlich wird ein spezieller Parametrisierungsansatz entwickelt, der es erlaubt, das Modell individuell auf verschiedene PV-Systeme abzustimmen. Die Modellparameter der realen PV-Systeme werden dabei ermittelt, während sie an das Netz angeschlossen sind, und Informationen über die interne Schaltung und Steuerung des PV-Systems sind nicht erforderlich.
Die beobachtete frequenzabhängige Änderung von Spannungsverzerrungen bedeutet, dass der Effekt nicht in über mehrere Frequenzen aggregierten Werten wie THDV erfasst werden kann. Darüber hinaus muss jede PV-Anlage in ihrem Netz individuell charakterisiert werden, um der Vielfalt im Verhalten verschiedener Anlagen und Netzbedingungen Rechnung zu tragen. Dies wird durch die in dieser Arbeit entwickelte Methodik ermöglicht, und der Einfluss kann mithilfe des vorgestellten Modellierungsansatzes und der Parametrisierungsmethode in Simulationsstudien berücksichtigt werden.

In the course of the energy transition, an increasing number of Photovoltaic (PV) systems are installed in the power grid. By design, they operate differently compared to traditional large power plants. This causes rising concern about their impact on power quality.
In this context, investigations on how PV systems influence the grid voltage distortions lead to different results. Studies report reduced, increased, or unaffected distortions at high PV power feed-in compared to low power. In all these studies, the observed effects are not clearly attributed to the PV system under investigation. ... mehrOther grid participants (loads and generators) can also change voltage distortions, and their influence is difficult to separate from that of the PV system. Finally, most studies focus on aggregated measures such as Total Harmonic Distortion of the voltage (THDV) without a detailed spectral analysis. Overall, the actual effect of PV systems on voltage waveform distortions on a detailed spectral level remains unknown. As such, the effects cannot be considered for power quality analysis in the form of simulations. This thesis addresses this gap on a methodological, empirical, and simulative level.
An innovative field measurement method is presented to assess the influence of PVinstallations on voltagewaveformdistortions on a detailed spectral level. As such, the measurement and analysis method goes beyond traditional aggregated measures (THDV) and, in addition, allows for clearly attributing the observed changes in voltage distortions to the system under investigation. The new method applied in several field studies reveals that PV systems have a frequency-sensitive influence on voltage waveform distortions. Individual components are increased or decreased depending on their frequency. The frequency dependence of each investigated PV system is different. The individual characteristic depends on both the connected PV system and the present grid conditions. With additional measurements and investigations, the effects can be attributed to the PV system’s impedance characteristic, mainly defined by the grid-side filter of the PV inverter, in relation to the present grid impedance.
To incorporate the observed behavior into simulation studies, this work identifies a suitable modeling approach that is computationally efficient and thus allows a high spectral resolution. Additionally, a dedicated parametrization approach is developed, which allows adapting the model to different PV systems individually. The approach allows acquiring the model parameters of the real-world PV systems while they are connected to the grid and does not need information on the PV system’s internal circuit and control.
In conclusion, aggregated values such as THDV cannot resolve the frequency-dependence of the changes in voltage distortions caused by PV systems. In addition, each PV system in its unique grid has to be characterized individually to account for the diversity in behavior of different systems and grid conditions. This is made possible with the methodology developed in this thesis, and the effect can be incorporated in simulation studies using the modeling approach and parametrization method provided.