Solarwechselrichter

Solarwechselrichter bezeichnet ein Gerät, das die Gleichspannung aus Solarmodulen in Wechselspannung umwandelt und in das Stromversorgungsnetz einspeist. Der Wechselrichter ist damit Teil einer Photovoltaikanlage. Auf der Eingangsseite befindet sich üblicherweise ein Gleichspannungswandler mit Maximum-Power-Point-Tracker, den ein Mikrocontroller steuert und der den Zwischenkreis speist. Auf der Ausgangsseite befindet sich ein ein- bis dreiphasiger Wechselrichter, welcher in das Niederspannungsnetz oder in das Mittelspannungsnetz einspeist und sich automatisch mit dem Stromnetz synchronisiert.

Solarwechselrichter einer Hausanlage
Innenansicht eines Solarwechselrichters

GerätetypenBearbeiten

Modulwechselrichter (engl. micro-inverter)
Jedes einzelne Solarmodul hat einen eigenen einphasigen Wechselrichter, der in die Anschlussdose integriert sein kann.
Dabei handelt es sich um einen DC-DC-Wandler, dessen Sinn darin besteht, die Spannung so einzustellen, dass das angeschlossene Modul in seinem Maximum-Power-Point (MPP) betrieben wird.
Dies kann bei Photovoltaikanlagen sinnvoll sein, die aus unterschiedlich ausgerichteten oder unterschiedlich verschatteten Teilfeldern bestehen, beispielsweise bei mit Solarmodulen beschichteten Autos oder Flugzeugen.
Strangwechselrichter (engl. String Inverter)
Ein zumeist einphasiger Wechselrichter, der die Energie von einem Strang oder wenigen Strängen von Solarmodulen in ein Stromnetz einspeist.
Multi-Strang-Wechselrichter
Ein- oder dreiphasiger Wechselrichter, der mit mehr als einem MPP-Tracker für mehrere Stränge (auch unterschiedlichen) von Solarmodulen ausgestattet ist.
Zentralwechselrichter
Eine große elektrische Anlage, oft im Format eines Schaltschrankes, aber auch als Station in Containerbauweise, die meist ab Spitzenleistungen über 100 kW eingesetzt wird. Der modulare Aufbau vereinfacht nötige Reparaturen.
Hybridwechselrichter
Kombination aus Wechselrichter und internem oder externen Speicherakkumulatoren. Dadurch ergeben sich die Möglichkeiten der unterbrechungsfreien Stromversorgung, sowie die Optimierung des Selbstverbrauchs im Einspeisebetrieb.[1][2]

Schaltungstechnik und EffizienzBearbeiten

 
Blockschaltbild eines Solarwechselrichters

Grundsätzlich kann man zwei Arten von Solarwechselrichtern unterscheiden:

Geräte mit Transformator
Hier übernimmt ein Transformator die galvanische Trennung zwischen DC- und AC-Seite. Durch die galvanische Trennung kann der PV-Generator einpolig geerdet werden – es treten keine Wechselspannungs-Potenziale in der Anlage auf. Es ist in einigen Ländern auch zwingend vorgeschrieben.
Transformatorlose Geräte
Hier sind Eingangsseite und Ausgangsseite elektrisch miteinander verbunden. Bei diesem Schaltungsaufbau wird kein Transformator verwendet, diese Geräte besitzen daher meist einen höheren Wirkungsgrad. Die fehlende galvanische Trennung erfordert allerdings ein anderes elektrisches Sicherheitskonzept. Teilweise entstehen Wechselspannungen der Solarmodule gegen Erde, was zu Verlusten und bei Dünnschichtmodulen zur Degradation führen kann. Zur weiteren Steigerung der Effizienz und Vermeidung von Ableitströmen wurden Schaltungstechnologien Bezeichnung H5- oder Heric-Topologie entwickelt.

Am DC-Eingang des Solarwechselrichters befindet sich meist ein Eingangswandler. Bei diesem Wandler handelt es sich häufig um einen Aufwärtswandler mit sehr hohem Wirkungsgrad. Der Ausgangskreis muss ebenfalls einen hohen Wirkungsgrad besitzen, der über einen weiten Lastbereich hinweg besteht.

Zur Optimierung von Wechselrichtern mit Transformator übernimmt der Wechselrichter häufig die Funktion des Eingangswandlers, so dass der Zwischenkreis entfällt. Hier spricht man von einem Direkteinspeiser oder Direktumrichter. Der Wirkungsgrad verbessert sich, da nur noch ein Wandler nötig ist. Solche Geräte haben allerdings einen kleineren Bereich mit optimalem Wirkungsgrad, so dass sich insbesondere bei Anlagen mit Teilbeschattung dieser Vorteil schnell relativiert.

EffizienzBearbeiten

Bei der Angabe des Wirkungsgrades von Solarwechselrichtern werden drei gängige Werte unterschieden:

  1. Maximaler Wirkungsgrad: Höchster Wert, den der Wechselrichter erreicht.
  2. Euro-Wirkungsgrad: Gewichteter durchschnittlicher Wirkungsgrad für Strahlungsverhältnisse in Mitteleuropa. Dafür werden die Wirkungsgrade bei 5, 10, 20, 30, 50 und 100 % Wechselrichterauslastung addiert und mit einer Gewichtung versehen, wie ein Wechselrichter in Mitteleuropa typischerweise belastet wird.[3] 
  3. CEC-Wirkungsgrad (California Energie Commission): Gewichteter durchschnittlicher Wirkungsgrad für Strahlungsverhältnisse in Kalifornien in den USA. Dafür werden die Wirkungsgrade bei 10, 20, 30, 50, 75 und 100 % Wechselrichterauslastung addiert und mit einer Gewichtung versehen, wie ein Wechselrichter in Kalifornien typischerweise belastet wird. Diese Werte werden für die MPP Nennspannung und die oberen und unteren Spannungen des MPP-Regelbereichs gemittelt.[3] 

In der Solarbranche wird abweichend für die Benennung der Spitzenleistung von Wechselrichtern teilweise statt der Einheit kW die Bezeichnung kWp genutzt. Dies entspricht jedoch nicht den Regeln des Internationalen Einheitensystems, nach dem die Einheitenbezeichnungen keine Zusätze erhalten. Siehe auch: Schreibweise der Einheitenzeichen. Bei Solarmodulen gibt der kWp Wert hingegen nicht die maximale Leistung an, sondern ist die Bemessungsgröße unter Standardtestbedingungen (STC: Einstrahlung = 1000 W/m², Zelltemperatur = 25 °C, Spektrum = AM 1,5). In der Praxis ist die Leistung meist geringer kann aber auch über den kWp Werten liegen.[4]

BetriebBearbeiten

In einigen europäischen Ländern wird auf der Netzseite eine so genannte Einrichtung zur Netzüberwachung mit zugeordneten Schaltorganen (ENS) benötigt, die den Wechselrichter bei einer ungewollten Inselbildung abschaltet. Bei Anlagen mit installierten Leistungen über 30 kW kann auf die ENS verzichtet werden. Dort genügt eine Frequenz- und Spannungsüberwachung mit allpoliger Abschaltung zur sicheren Trennung vom Netz, falls dieses abgeschaltet wird bzw. ausfällt.

Es wird oft mit einem hohen Wirkungsgrad der Wechselrichter geworben. Im Teillastbereich ist er etwas geringer und wird deshalb gemittelt und dann als „Europäischer Wirkungsgrad“ bezeichnet. Der Wirkungsgrad des Wechselrichters entscheidet jedoch nicht allein über den Gesamtwirkungsgrad einer Photovoltaikanlage.

Seit Januar 2009 müssen Photovoltaikanlagen in Deutschland mit installierten Leistungen ab 100 kW über die Möglichkeit verfügen, vom Netzbetreiber in der eingespeisten Wirkleistung reduziert zu werden (§ 6.1 EEG). Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass eine bestimmte Menge Blindleistung zur Verfügung gestellt wird. In der Praxis werden diese Vorgaben dynamisch über Rundsteuerempfänger realisiert, die eine vierstufige Wirkleistungsreduzierung signalisieren können bzw. einen von 1 abweichenden Wirkfaktor von beispielsweise cos φ = 0,95 (induktiv) vorgeben. Durch die Bereitstellung von induktiver Blindleistung können kapazitiv bedingte Überspannungen vermieden werden.[5]

Ab Juli 2011 müssen auch kleinere Anlagen im Niederspannungsnetz vergleichbare Regelfunktionen anbieten.[6] Landestypische weitergehende Vorschriften führen zu Lieferengpässen und höheren Erzeugungskosten. Gegenkonzepte wie Net Metering verfolgen einen unkomplizierteren Ansatz und verlagern die Problematik auf den Netzbetreiber.

Bei größeren Anlagen, bei welchen unter anderem die Mittelspannungsrichtlinie einzuhalten ist, sind weitere Maßnahmen zu dynamischen Netzstabilisierung wie die Fähigkeit zu Low-Voltage Ride Through vorgeschrieben. Die Maßnahmen dienen dazu um eine ungewollte und gleichzeitige Abschaltung vieler Anlagen bei kurzzeitiger lokaler Unterspannung, wie sie im Rahmen von Kurzschlüssen oder anderen Fehlern im Drehstromsystemen vorkommen, zu vermeiden.

Einphasige Anlagen dürfen in Deutschland nur bis zu einer maximalen Leistung von 5 kW (4,6 kW Dauerleistung) in das Stromnetz einspeisen.[7] Diese Beschränkung dient der Netzstabilität und vermeidet Schieflasten. Neben der grundlegenden Funktion der Energiewandlung verfügt ein Solarwechselrichter über eine umfangreiche Datenerfassung und zum Teil Möglichkeiten zur Fernwartung.

NetzfrequenzBearbeiten

Die elektrische Energie im Stromversorgungsnetz kann in größeren Menge nicht kurzfristig gespeichert werden. Es ist daher immer notwendig ein Energiegleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch herzustellen. Um dies zu gewährleisten wird als eine Regelgröße in mit Wechselspannung betriebenen Stromnetzen die Netzfrequenz verwendet. In Europa ist diese mit 50,0 Hz definiert. Abweichung von dem Nennwert deuten auf einen Energieüberschuss (erhöhte Netzfrequenz) oder einen Energiemangel (verringerte Netzfrequenz) hin. Um ein Überangebot an Leistung im Stromversorgungsnetz zu vermeiden müssen Wechselrichter daher die Netzfrequenz laufend überwachen und sich bei Überschreiten eines länderabhängigen Grenzwertes (in Deutschland 50,2 Hz) vom Netz trennen. Da inzwischen in Deutschland ein nennenswerter Teil der erzeugten elektrischen Energie aus Photovoltaikanlagen stammt würde ein hartes Abschalten aller Anlagen bei diesem Grenzwert einen gegenteiligen Effekt auslösen und dadurch wiederum eine Netzinstabilität hervorrufen. Daher wurden bei installierte Anlagen über 10 kW nachträglich dieser Grenzwert mit einem zufälligen Wert erhöht. Neuere Anlagen müssen über einen Leistungsgradienten zwischen 50,2 und 51,5 Hz verfügen, der abhängig von der aktuellen Netzfrequenz die Einspeiseleistung verringert bzw. erhöht und so aktiv zur Netzstabilisierung beiträgt.[8]

InselbetriebBearbeiten

 
Schaltung eines Solarwechselrichters (Inverter) in Inselbetrieb mit Batteriesystem

In Anlagen für den Inselbetrieb ermöglichen spezielle Inselwechselrichter den Einsatz von üblichen Verbrauchern für 230 V Wechselspannung oder bei dreiphasiger Ausführung auch die Bereitstellung von Drehstrom. Entscheidend ist die maximal zur Verfügung gestellte Leistung. Dazu können einzelne Wechselrichter parallel geschaltet werden, benötigen je nach Größe des Netzes dafür aber zusätzliche Steuereinrichtungen zur Abstimmung mit den anderen Stromerzeugern und den Energiespeichern. Kleinanlagen werden teilweise mit integrierten Batteriesystemen angeboten, verfügen aber über keine Netzsynchronisation, da deren Vorgabe durch andere Stromerzeuger fehlt.

LiteraturBearbeiten

  • Wolf-Günter Gfrörer: Wechselrichter für Solaranlagen. Franzis, Poing 1998, ISBN 3-7723-4952-8.

WeblinksBearbeiten

Commons: Solarwechselrichter – Sammlung von Bildern

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Satcon Technology Corporation: PowerGate 100-kW-Solar-PV-Hybridwechselrichter. aufgerufen 23. Januar 2012.
  2. voltwerk electronics GmbH: Voltwerk VS 5 Hybrid, vollintegriertes Energiemanagementsystem.@1@2Vorlage:Toter Link/www.voltwerk.com (Seite nicht mehr abrufbar, Suche in Webarchiven Info: Der Link wurde automatisch als defekt markiert. Bitte prüfe den Link gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis. aufgerufen am 23. Januar 2012.
  3. a b Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme: Technologie - Berechnung - Klimaschutz. 10. aktualisierte und erweiterte Auflage. Carl Hanser Verlag München, 2019, ISBN 978-3-446-46113-0, S. 261–263.
  4. Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme: Technologie - Berechnung - Klimaschutz. 10. aktualisierte und erweiterte Auflage. Carl Hanser Verlag München, 2019, ISBN 978-3-446-46113-0, S. 218.
  5. SMA, Oktober 2009: Warum Blindleistung wichtig und richtig ist, aufgerufen 25. Februar 2012.
  6. Sonne, Wind und Wärme, März 2011: [http:Watt_Peak//www.bva-solar.de/sww/pdf/solarstrom/0776-SWW_0311_124-125_Photovoltaik_Niederspannungsrichtlinie.pdf Photovoltaik – Niederspannungsrichtlinie], aufgerufen 25. Februar 2012.
  7. VDN, März 2004: VDN – Merkblatt zur VDEW-Richtlinie@1@2Vorlage:Toter Link/www.vde.de (Seite nicht mehr abrufbar, Suche in Webarchiven Info: Der Link wurde automatisch als defekt markiert. Bitte prüfe den Link gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis. (PDF; 338 kB), abgerufen am 2. Oktober 2010.
  8. VDE 50,2Hz-Problem