Solarwechselrichter

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Solarwechselrichter einer Hausanlage
Blockschaltbild eines Solarwechselrichters

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 Mikroprozessor steuert und der den Zwischenkreis speist. Auf der Ausgangsseite befindet sich ein ein- bis dreiphasiger Wechselrichter, welcher in das Niederspannungsnetz oder bei großen Geräten mit Hilfe eines eingebauten Transformators in das Mittelspannungsnetz einspeist und sich automatisch mit dem Stromnetz synchronisiert.

Gerätetypen[Bearbeiten]

Modulwechselrichter (engl. micro-inverter)
Jedes einzelne Solarmodul hat einen eigenen einphasigen Wechselrichter, der in die Anschlussdose integriert sein kann. Dadurch ist keine Gleichstromverkabelung der Module nötig.
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 bei Leistungen ab 100 kWp eingesetzt wird. Der modulare Aufbau vereinfacht nötige Reparaturen.
Hybridwechselrichter
Kombination aus Wechselrichter und internem oder externen Speicherakkumulatoren. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit der unterbrechungsfreien Stromversorgung. So wird die Netzeinspeisung geglättet, und der Selbstverbrauch wird optimiert.[1][2]

Schaltungstechnik und Effizienz[Bearbeiten]

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 (vgl. 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.

Die Effizienz von Solarwechselrichtern wird durch den Euro-Wirkungsgrad vergleichbar, der besonders Teillastfälle bewertet.

Betrieb[Bearbeiten]

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 Leistungen über 30 kWp 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 Leistungen ab 100 kWp 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.[3]

Ab Juli 2011 müssen auch kleinere Anlagen im Niederspannungsnetz vergleichbare Regelfunktionen anbieten.[4] Landestypische weitergehende Vorschriften führen zu Lieferengpässen und höheren Erzeugungskosten. Gegenkonzepte wie Net Metering verfolgen einen unkomplizierteren Ansatz und verlagern die Problematik auf den Netzbetreiber.

Einphasige Anlagen dürfen in Deutschland nur bis zu einer maximalen Leistung von 5 kWp (4,6 kW Dauerleistung) in das Stromnetz einspeisen.[5] 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.

In Deutschland müssen wegen des 50,2-Hz-Problems installierte Anlagen über 10 kW nachträglich auf einen zufällig gewählten geringfügig höheren Wert programmiert werden, um die Netzstabilität zu gewährleisten. Neuere Anlagen müssen über einen Leistungsgradienten zwischen 50,2 und 51,5 Hz verfügen.[6]

Inselbetrieb[Bearbeiten]

In Anlagen für den Inselbetrieb ermöglichen spezielle Inselwechselrichter den Einsatz von üblichen Verbrauchern für 230V Wechselspannung. 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.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

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

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Satcon Technology Corporation: PowerGate 100-kW-Solar-PV-Hybridwechselrichter. aufgerufen 23. Januar 2012.
  2. voltwerk electronics GmbH: Voltwerk VS 5 Hybrid, vollintegriertes Energiemanagementsystem. aufgerufen am 23. Januar 2012.
  3. SMA, Oktober 2009: Warum Blindleistung wichtig und richtig ist, aufgerufen 25. Februar 2012.
  4. Sonne, Wind und Wärme, März 2011: Photovoltaik – Niederspannungsrichtlinie, aufgerufen 25. Februar 2012.
  5. VDN, März 2004: VDN – Merkblatt zur VDEW-Richtlinie (PDF; 338 kB), abgerufen am 2. Oktober 2010.
  6. VDE 50,2Hz-Problem