Welche Anforderungen stellt die VDE-AR-N 4105 an Solarstromanlagen?

Die VDE-Anwendungsregel VDE-AR-N 4105 "Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz" stellt technische Mindestanforderungen für den Anschluss und Betrieb von Erzeugungsanlagen, einschließlich Solarstromanlagen (Photovoltaikanlagen), am Niederspannungsnetz. Sie gilt für Anlagen, die elektrische Energie ins öffentliche Niederspannungsnetz einspeisen. Die VDE-AR-N 4105 wurde eingeführt, um die Netzstabilität zu gewährleisten und eine sichere Einspeisung von Strom aus dezentralen Erzeugungsanlagen wie Solarstromanlagen zu ermöglichen. Bei Solaranlagen gelten einige Anforderungen für diese Regelung.

• Die VDE-Anwendungsregel VDE-AR-N 4105 gilt für Planung, Errichtung, Betrieb und Änderung von u.a. Solarstromanlagen, die an das Niederspannungsnetz eines Netzbetreibers angeschlossen und parallel mit dem Niederspannungsnetz betrieben werden.
• Sie sind verpflichtend einzuhaltende technische Funktionen von Solaranlagen wie insb. Leistungsregelung, Schieflast, NA-Schutz und Bereitstellung von Blindleistung vor.
• Sie ist anzuwenden für Erzeugungsanlagen und Energiespeicher, die neu an das Niederspannungsnetz angeschlossen werden, sowie bei der Erweiterung oder Änderung bestehender Anlagen mit einer Summenwirkleistung (Σ PAmax) bis 135 kW.
• Für einen bestehenden, unveränderten Teil der elektrischen Anlage gibt es seitens dieser VDE-Anwendungsregel keine Anpassungspflicht, sofern eine sichere und störungsfreie Stromversorgung sichergestellt ist.

Bei der VDE-AR-N 4105, umgangssprachlich häufig auch als Niederspannungsrichtlinie bezeichnet, handelt es sich um die Neufassung der VDEW-Richtlinie „Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz“, die nach grundlegender Überarbeitung durch das Forum Netztechnik/Netzbetrieb (FNN) am 1. August 2011 von der VDE-AR-N 4105:2011-08 abgelöst wurde und seit dem 1. Januar 2012 beim Bau aller neuen Photovoltaik-Anlagen eingehalten werden muss.

2018 wurde die Anwendungsregel Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz (VDE-AR-N 4105:2011-08) grundlegend überarbeitet. Die Anwendungsregel VDE-AR-N 4105:2018-11 legt seither in Verbindung mit der VDE-AR-N 4100:2019-04 die technischen Anforderungen für Erzeugungsanlagen und Energiespeicher fest. Die VDE-AR-N 4105:2018-11 enthält zahlreiche technische Neuerungen. Daher sollte unbedingt darauf geachtet werden, dass die VDE-Version „2018-11“ angewendet wird.

Den größten Anteil von Erzeugungsanlagen in der Niederspannung machen Photovoltaik-Anlagen aus, viele davon in privaten Haushalten.

Die technischen Anforderungen der VDE-AR-N 4105 für Solaranlagen unterscheidet man in

• Anforderungen, die grundsätzlich von jeder PV-Anlage erfüllt werden müssen und
• Anforderungen, die nur bestimmte Leistungsklassen erfüllen müssen.

Die VDE-Anwendungsregel VDE-AR-N 4105 ist für Erzeugungsanlagen und Speicher anzuwenden, die neu an das Niederspannungsnetz angeschlossen werden, sowie bei einer Erweiterung oder Änderung bestehender Anlagen.

Sie gilt u.a. für Photovoltaikanlagen mit einer Summenwirkleistung (Σ PAmax) bis 135 kW. Für Photovoltaikanlagen und Energiespeicher mit einer Wirkleistung (Σ PAmax) zwischen 135 kW und 950 kW ist die Erfüllung der Anforderungen der VDE-AR-N 4110:2018-11 (ehemals BDEW-Richtlinie) nachzuweisen.

Für einen bestehenden, unveränderten Teil der elektrischen Anlage gibt es seitens dieser VDE-Anwendungsregel keine Anpassungspflicht, sofern eine sichere und störungsfreie Stromversorgung sichergestellt ist. Dies gilt für alle Erzeugungsanlagen und Speicher, die parallel mit dem Niederspannungsnetz des Netzbetreibers betrieben werden, auch für solche, die nicht in das Niederspannungsnetz des Netzbetreibers einspeisen.

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Ein wichtiges Ziel der VDE-AR-N 4105 ist es, die Spannung im Stromnetz zu erhalten. Dazu müssen bei steigender Netzfrequenz Photovoltaikanlagen in Ihrer Leistung stufenlos regelbar sein.

Denn nach den bis dato geltenden Anschlussregeln mussten sich PV-Anlagen bei erhöhter Netzfrequenz schlagartig vom Netz trennen. Die gleichzeitige Abschaltung von PV-Anlage hätte jedoch die Stabilität des europäischen Verbundnetzes gefährden („50,2 Hz-Problem“) können.

Im Zuge der Einführung der VDE-AR-N 4105 wurde der zulässige Frequenzbereich von 47,5 bis 51,5 Hz erweitert. Bei Erreichen von 51,5 Hz trennt sich jetzt die Photovoltaik-Anlage in Abhängigkeit der Momentanleistung prozentual gemäß der Frequenz-Wirkleistungs-Kennlinie vom Netz.

Wird die Abregelungsgrenze unterschritten, darf der Wechselrichter die Abregelung mit einem definierten Anstieg auf den neuen, nicht abgeregelten Maximalwert erhöhen.

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Um Schieflast zu vermeiden – also eine ungleichmäßige Belastung der Außenleiter eines Dreiphasenwechselstromnetzes (Drehstromnetzes) – sieht die VDE-AR-N 4105:2018-11 eine generelle Grenze von 4,6 Kilovoltampere (kVA) pro Phase vor. Daher dürfen einzelne Wechselrichter mit einer größeren Nennleistung als 4,6 kVA nicht an einer einzelnen Phase angeschlossen werden. Die maximale Solaranlagenleistung aus einphasigen und ungekoppelten Wechselrichtern beschränkt sich damit auf von 13,8 kVA (3 x 4,6 kVA).

Werden nun größere Photovoltaikanlagen installiert, so kann der über 13,8 kVA hinausgehende Leistungsanteil mit einem dreiphasigen Wechselrichter oder mittels einer kommunikativen Kopplung einphasiger Wechselrichter realisiert werden. Nach diesem Prinzip lassen sich auch größere dreiphasige Solarstromanlagen mit einphasigen und ungekoppelten Geräten so ergänzen, sodass die Summe der Leistung pro Phase 4,6 kVA nicht überschreitet.

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In Deutschland müssen alle Stromerzeugungsanlagen von 30 Kilowatt bis 135 Kilowatt gemäß der Anwendungsregel VDE-AR-N 4105:2018-11 einen Netz- und Anlagenschutz (NA-Schutz) haben.

Der NA-Schutz besteht aus zwei Haupt-Komponenten,

• dem Netz- und Anlagenschutzrelais, das das Stromnetz überwacht, und
• dem Kuppelschalter, der über das Relais gesteuert wird.

Der NA-Schutz wird am Zählerplatz realisiert und überwacht Spannung und Frequenz und schaltet im Fehlerfall zwei in Reihe geschaltete galvanisch trennende Kuppelschalter ab (redundanter Aufbau).

In Anlagen ab 100 kW Leistung sind Motorschutzschalter oder mechanische Leistungs-/Lasttrennschalter zugelassen. Solaranlagen mit weniger als 30 kVA Scheinleistung können weiterhin mit einem im Wechselrichter integrierten NA-Schutz betrieben werden.

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Dezentrale Erzeugungsanlagen in der Niederspannung stellten bisher meist über eine vorgegebene, feste Kennlinie Blindleistung zur Spannungsstützung bereit (cos Φ (P)). Das heißt, die Einspeisung der Blindleistung war abhängig von der aktuell eingespeisten Wirkleistung.

Gemäß der neuen VDE-AR-N 4105:2018-11 wird jetzt auch eine Blindleistungsabgabe auf Neiderspannungsebene in Abhängigkeit von der am Einspeisepunkt bestehenden Spannung (Q(U)-Regelung) gefordert, um aktiv die Netzstabilität zu verbessern. Durch den Einsatz blindleistungsfähiger Wechselrichter können deutlich mehr PV-Anlagen ohne zusätzlichen Netzausbau oder deutlich teurere Betriebsmittel wie rONT die vorhandene Infrastruktur des Niederspannungsnetzes nutzen.

Laut der Studie "Statische Spannungshaltung" lassen sich mit der Q(U)-Regelung besonders in Vorstadtnetzen bis zu etwa 60 % mehr dezentrale Erzeugungsanlagen in einen bestehenden Netzstrang integrieren. In ländlichen Netztypen ist der Effekt mit jeweils bis zu 40 bis 50 % immer noch sehr hoch.

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