Solartechnik

Wechselrichter für Solaranlagen

Text: Dr. Rüdiger Paschotta | Foto (Header): © kelifamily – stock.adobe.com

Ein Kernstück fast jeder Photovoltaikanlage ist neben den Solarmodulen ein Wechselrichter bzw. eine Schaltzentrale, deren Kernstück ein Wechselrichter ist. Der nachfolgende Artikel erläutert seine Funktion und andere in der Praxis relevante Aspekte.

Auszug aus:

EnEV Baupraxis
Fachmagazin für energieeffiziente Neu- und Bestandsbauten
Ausgabe September / Oktober 2020
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Wechselrichter wandeln den von Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um. Dazu werden sie für eigene Verbraucher im Haushalt, im Gewerbebetrieb oder für die Einspeisung ins öffentliche Stromnetz (Abb. 2) benötigt. Meist arbeitet ein Wechselrichter fremdgeführt, d. h. er richtet sich nach dem zeitlichen Verlauf der Stromnetzspannung; anders wäre eine Einspeisung nicht möglich. Soll dagegen bei Ausfall des Stromnetzes auch Inselbetrieb möglich sein, ist ein selbstgeführter Betrieb nötig, den nur spezielle Geräte beherrschen – insbesondere solche in Anlagen, die auch einen Solarstromspeicher enthalten. Hier erzeugt der Wechselrichter eigenständig die Wechselspannung und stabilisiert deren Spannungsniveau und Frequenz. Das funktioniert solange, wie die zur Verfügung stehende Leistung – begrenzt, beispielsweise durch den Wechselrichter oder die Batterien, zur Lastdeckung ausreicht.

Einfache Geräte arbeiten einphasig: Sie erzeugen eine einzelne Wechselspannung und können entsprechend nur in eine der drei Phasen des Wechselstromnetzes einspeisen. Besonders für höhere Leistungen ist aber ein dreiphasiger Betrieb erwünscht (bzw. in Deutschland ab 4,6 kW Dauerleistung Pflicht), d. h. die Erzeugung von drei gegeneinander phasenverschobenen Spannungen (Dreiphasen-Drehstrom), die die symmetrische Einspeisung in alle drei Phasen des Netzes ermöglichen. Kleine Anlagen speisen auf der Niederspannungsebene (Drehstrom mit 400 V Dreieckspannung) ein, während größere meist ins Mittelspannungsnetz (z. B. mit 20 kV) gehen.

 

Ausführungsdetails

Manche Anlagen arbeiten mit Strang-Wechselrichtern, d. h. mit einem meist einphasigen Gerät für jeden Strang von in Serie geschalteten Solarmodulen. Man baut dann z. B. drei Stränge auf, um die drei Phasen für das Netz zu erhalten, oder auch sechs Stränge (je zwei für eine Phase). Es gibt auch Multi-Strang- Wechselrichter, sodass man mit einem Gerät für mehrere Stränge auskommt, und Zentralwechselrichter für die gesamte Anlage. Besonders bei kleineren Anlagen ist Letzteres üblich und ergibt die kompakteste Realisierung. Auch für größere Anlagen gibt es Zentralwechselrichter, die aber meist in einem separaten kleinen Gebäude untergebracht werden.

Es gibt zudem den irreführenderweise mit unterschiedlichen Bedeutungen verwendeten Begriff Modulwechselrichter. Das ist immer ein Wechselrichter für ein einzelnes Solarmodul, der aber entweder wie üblich Wechselspannung erzeugt oder die erzeugte Gleichspannung nur auf ein höheres Gleichspannungsniveau bringt; die endgültige Umwandlung in Wechselspannung erfolgt im letzteren Fall in einem separaten Gerät. Die höhere Spannung erlaubt geringere Stromstärken und entsprechend dünnere Kabel zwischen Modulen und dem zentralen Wechselrichter. Allerdings lassen sich auch per Serienschaltung von Modulen höhere Spannungen erzielen.

Manche Wechselrichter enthalten einen Transformator, der eine galvanische Trennung zwischen PV-Modulen und dem Netz ermöglicht. Die PV-Module können dann separat geerdet werden. Jedoch sind Wechselrichter ohne Transformator kostengünstiger und v. a. etwas effizienter.

 

Leistung und Energieeffizienz

Die Nennleistung (maximale Leistung) jedes Solarwechselrichters sollte mindestens der maximalen Gesamtleistung der Solarmodule entsprechen, sonst bleibt bei voller Sonneneinstrahlung ein Teil der Leistung ungenutzt. Ist der Wechselrichter zu knapp ausgelegt, ist keine Überlastung zu befürchten; er könnte nur nicht die volle Leistung der Solarmodule abrufen. Ihn wesentlich überzudimensionieren wäre auch ungünstig wegen der dann schlechten Energieeffizienz bei geringen Leistungen (z. B. bei bedecktem Himmel).

Um die von Solarmodulen erzeugte Energie möglichst vollständig nutzbar zu machen, sind zwei Aspekte relevant. Zunächst der Wirkungsgrad im Betrieb: das ist der Prozentsatz der von den Solarmodulen gelieferten Leistung, der auf der Wechselstromseite abgegeben wird. Er hängt von der jeweils umgesetzten Leistung ab und sinkt bei kleinen Leistungen meist deutlich. Üblich ist die Angabe des Euro-Wirkungsgrads – eines gewichteten Mittelwerts über verschiedene Leistungen zwischen fünf und 100 Prozent der Nennleistung – für eine vernünftige Abschätzung der Effizienz im Realbetrieb. Besonders stark zählt hier die Effizienz bei der Hälfte der Maximalleistung. Bei modernen Geräten mit sorgfältigem Schaltungsdesign und modernen Leistungs-Halbleitern liegt der Euro-Wirkungsgrad recht hoch, z. B. oberhalb von 95 Prozent. Modulwechselrichter liegen tendenziell niedriger. Ebenfalls relevant für die Energieeffizienz: die Höhe des Stand-by-Verbrauchs bei fehlender Produktion der Module (z. B. nachts). Moderne Geräte liegen hier aber so günstig, dass diese Energieverluste kaum mehr ins Gewicht fallen; die Verluste im Betrieb überwiegen hier deutlich.

Eine Besonderheit bei Solarwechselrichtern ist die spezielle Strom-Spannungs-Charakteristik der Solarmodule (Abb. 3). Für eine bestimmte solare Einstrahlung gibt es einen festen Zusammenhang zwischen Strom und Spannung. Ohne jede Strombelastung erhält man die höchste Spannung (Leerlaufspannung); es wird aber auch keine Leistung, die das Produkt aus Strom und Spannung ist, abgegeben. Mit zunehmender Strombelastung nimmt die Spannung anfangs kaum ab, die Leistung also entsprechend zu – bis dann jedoch die Spannung und damit die Leistung massiv abfallen. Für maximale Effizienz soll ein Solarwechselrichter stets nahe beim Maximum-Power-Point (MPP) arbeiten, d. h. er soll die von den Modulen gelieferte Spannung nicht zu stark herunterdrücken, aber auch nicht zu wenig, weil sonst die Stromstärke zu gering ausfällt.

Einfache Geräte können mit einer festen Kennlinie arbeiten, die aber zu den verwendeten Modulen passen muss. Bessere Technik arbeitet mit einem MPP-Tracker, der sich automatisch auf diverse Situationen einstellen kann – etwa mit unterschiedlicher Zahl von angeschlossenen PV-Modulen. Ideal sind separate, voneinander unabhängige MPP-Tracker für Teile der Anlage, beispielsweise für einzelne Stränge. Die Präzision, mit der der MPP angesteuert wird, schlägt sich im MPPT-Wirkungsgrad nieder. Er zeigt nur die Verluste durch die nicht perfekt gewählten Arbeitspunkte der Solarmodule an, nicht aber Umwandlungsverluste im Wechselrichter.

Ist die Verschaltung der Module ungünstig, kann selbst mit hochwertigen Wechselrichtern viel Leistung verloren gehen. Sind etwa mehrere Module in Serie geschaltet, sinkt die Leistung des gesamten Strangs massiv ab, auch wenn nur eines der Module verschattet wird. Große Ertragsverbesserungen können eine optimierte Verschaltung (beispielsweise Serienschaltung nur von solchen Modulen, die immer ähnlich gut besonnt werden) und ggf. die Nutzung mehrerer unabhängiger Eingänge eines Wechselrichters (mit separaten MPP-Trackern) oder die Nutzung mehrerer kleinerer Wechselrichter bringen. Mehrere kleinere Wechselrichter führen jedoch tendenziell zu höheren Kosten, mehr Platzbedarf und höherem Standby-Verbrauch; andererseits ist mit diesem Ansatz eine genauere Anpassung an die gegebene Situation möglich, und der Ausfall eines einzelnen Wechselrichters beeinflusst die Gesamtproduktion i.d. R. weniger.

 

Stromqualität

Einfache Wechselrichter, basierend auf simplen elektronischen Schaltungen, erzeugen z. B. im selbstgeführten Betrieb eine Spannung, deren Verlauf vom sinusförmigen Verlauf der Netzspannung stark abweichen kann. Im fremdgeführten Betrieb gibt das Netz die Spannung vor. Der Wechselrichter kann sie nur geringfügig ändern, aber der zeitliche Verlauf der Stromstärke kann sehr ungünstig sein. Vor allem bei höheren eingespeisten Leistungen kann das zu diversen Arten von Störungen führen, besonders bei empfindlicheren Geräten. Daher dulden Netzbetreiber solche Störungen nur begrenzt. Moderne Elektronik vermeidet solche Störungen weitestgehend und entsprechende Technik mit hoher „elektromagnetischer Verträglichkeit“ ist mittlerweile selbst bei geringen Leistungen verfügbar und ökonomisch tragbar. Auch mit hoher Energieeffizienz sind solche Zusatzanforderungen heute gut vereinbar.

Ein anderer Aspekt betrifft Blindleistungen, die für die Spannungshaltung in Wechselstromnetzen von Bedeutung sind. Im ungünstigsten Fall würde ein Wechselrichter den Bedarf an Blindleistung aus anderen Quellen erhöhen. Idealerweise erzeugt er aber selbst Blindleistung der gewünschten Art (kapazitiv oder induktiv) und Stärke. Letzteres wird allerdings nur von größeren Anlagen verlangt, da die gezielte Erzeugung von Blindleistung in Kleinstanlagen (über eine Fernsteuerung) zu teuer wäre. In Niederspannungsnetzen wird daher seit 2012 eine vereinfachte Regel angewandt, nach der Blindleistung abhängig von der Wirkleistung im Verhältnis zur Nennleistung erzeugt werden soll. So kann man auch ohne Fernsteuerung einen Beitrag zur lokalen Spannungshaltung leisten. Zukünftig soll sich gemäß einer verbesserten Methode die Blindleistung nach der lokalen Netzspannung richten.

Als Beispiel zeigt Abb. 4 den Verlauf von Spannung und Stromstärke (für eine der drei Phasen) für einen Wechselrichter mit idealer Stromqualität, also rein sinusförmigem Stromverlauf. Eine gewisse kapazitive Blindleistung – je nach Situation erwünscht oder nicht – ist erkennbar am leichten Vorauseilen des Stroms. Tatsächlich realisierte Phasenverschiebungen sind in der Praxis meist geringer als hier gezeigt.

 

Lebensdauer und Sicherheit

Ausfälle von Wechselrichtern kommen gelegentlich vor, aber im Prinzip sollten sie über 20 Jahre lang störungsfrei laufen können. Diverse Faktoren begünstigen vorzeitige Ausfälle, z. B. mangelhafte Komponenten, nicht ausreichend robustes Schaltungsdesign, äußere Einflüsse wie starke Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit oder Überspannungen im Netz, etwa durch Blitzeinschläge. Qualität und Robustheit eines Geräts verlässlich einzuschätzen ist schwierig, jedoch ist höchste Qualität nicht unbedingt mit sehr niedrigen Preisen vereinbar.

Da Wechselrichter große Dauerleistungen umsetzen, bergen sie prinzipiell Gefahrenpotenzial und sind kritischer zu beurteilen als z. B. die meisten Haushaltsgeräte. Entwickelt z. B. eine mangelhaft abgesicherte Elektronik bei einem Defekt massiv Hitze, könnte ein Brand entstehen. Gutes Schaltungsdesign, kombiniert mit geeigneter Komponentenabschirmung, minimiert solche Gefahren. Wünschenswert ist, dass ein Wechselrichter die Gefahr seiner Überhitzung erkennt und notfalls seine Leistung reduziert oder abschaltet.

Ein anderer Aspekt ist, dass ein Wechselrichter bei Ausfall des Stromnetzes keine Spannung mehr einspeisen darf. Das könnte mit Reparaturen befasstes Personal gefährden. Zudem muss sich ein einspeisender Wechselrichter automatisch abschalten, wenn erhebliche Abweichungen der Netzspannung oder -frequenz auftreten. Früher musste sich ein Gerät bei einer Netzfrequenz oberhalb von 50,2 Hz abschalten; das wurde modifiziert, weil eine gleichzeitige Abschaltung vieler Wechselrichter kontraproduktiv wäre. All diese Gefahren sind bei Einhaltung der einschlägigen Vorschriften aber gut unter Kontrolle zu halten.

 

Fernsteuerung und Wirkleistungsbegrenzung

Vor allem größere Wechselrichter sind heute vom Netzbetreiber über einen Rundsteuerempfänger fernsteuerbar. Damit kann er bei zu hohem Stromangebot notfalls abregeln oder auch Blindleistung anfordern, um das Netz zu stabilisieren. Für kleine Anlagen lohnt sich das kaum, trotzdem werden auch sie zunehmend mit Fernsteuerung ausgestattet, da bei Nicht-Teilnahme am Einspeisemanagement eine Einspeisungsbegrenzung auf 70 Prozent der Modulleistung gefordert wird (Wirkleistungsbegrenzung). Das würde i. d. R. deutliche Einbußen an Jahresproduktion verursachen – außer, wenn beispielsweise der Eigenverbrauch gut steuerbar ist, sodass er meist mindestens 30 Prozent der PV-Produktion verwertet. Eine Wirkleistungsbegrenzung ließe sich durch Wahl eines schwächeren Wechselrichters realisieren, aber dann bliebe die überschüssige Produktion bei guter Sonneneinstrahlung auch bei Eigenverbrauch grundsätzlich ungenutzt – außer man hätte unabhängig vom Wechselrichter zusätzliche DC-Verbraucher. Deswegen nimmt man besser einen Wechselrichter mit voller Leistung, der auf die geforderte Wirkleistungsbegrenzung eingestellt werden kann.

Betreiber einer PV-Anlage interessiert der Ertrag ihrer Anlage nicht nur im Idealzustand der bestens funktionierenden Anlage, sondern in der Praxis mit diversen möglichen Einbußen. Es ist also sehr wünschenswert, Ursachen für Ertragseinbußen möglichst schnell aufzudecken, um sie beheben zu können. Das betrifft Faktoren im Wechselrichter selbst, aber auch andere mögliche Probleme, z. B. die Alterung der Solarmodule oder Verschattung; und hier gilt: Bäume, die bei Inbetriebnahme noch nicht verschatten, können wachsen und zumindest zu gewissen Tageszeiten den Ertrag reduzieren. Auch möglich sind Verschmutzungen oder Einbußen durch korrodierende elektrische Kontakte, z. B. bei Verbindungen zwischen den Solarmodulen. Den Ertrag regelmäßig im Detail zu kontrollieren ist essenziell, da nicht alle Faktoren, die Einbußen erzeugen, leicht direkt und zuverlässig erkennbar wären.

 

Ertrags- und Anlagenüberwachung

Eine gewisse Kontrolle bietet bereits die Angabe des Gesamtertrags jedes Tags – natürlich zu bewerten unter Berücksichtigung des Wetters. Viel aufschlussreicher ist jedoch die Analyse der zeitlichen Produktionsverläufe über die Tage. Beispielsweise kann ein regelmäßiger Einbruch zu bestimmten Zeiten Verschattung anzeigen, wohingegen korrodierte elektrische Kontakte die Produktion generell reduzieren würden. Somit erlaubt eine Analyse der genannten Daten schnell eine gewisse Eingrenzung aufgetretener Probleme und kann deswegen die Behebung erleichtern und beschleunigen.

Idealerweise werden die Daten nicht nur am Wechselrichter angezeigt, sondern per Interface auch an einem PC mit entsprechender Auswertungssoftware, die die Details bestimmt und die jederzeit aktualisiert werden kann. Hierzu kann ein Wechselrichter an das Datennetzwerk des Hauses angeschlossen werden. Beliebt sind auch Lösungen, bei denen die Daten in die Cloud gelangen, z. B. auf einen Server des Herstellers des Wechselrichters (oder der Gesamtanlage) im Internet. Dann lassen sich die Daten auch per Smartphone-App jederzeit abrufen.

Die genauere Analyse der Produktionsentwicklung, inkl. konkreten Folgerungen bezüglich nötiger Aktionen, übersteigt aber die Leistungsfähigkeit der Wechselrichterelektronik. Diese liefert immerhin essenzielle Daten sowie grundlegende Fehlfunktionen und erkennt etwa einen unerwarteten erheblichen Produktionseinbruch und warnt Betreiber beispielsweise Mail. Solche Funktionen müssen nicht im Wechselrichter selbst implementiert, sondern können wie oben erwähnt, von einem Cloud-Server übernommen werden.

Anfangs wurden Wechselrichter mit einfachen, programmierbaren Mikrocomputern ausgestattet, die etliche Funktionen übernehmen können – allerdings nur in beschränktem Umfang und oft ohne die Möglichkeit, implementierte Programme nachträglich auszutauschen. Es folgten Geräte mit einem aufwendigeren, eingebauten Computer, etwa zur Ansteuerung eines grafischen Displays. Man kann aber auch wieder zurückgehen zu simplerer Elektronik i. V. m. einem Netzwerk-Interface, um aufwendigere Funktionen sinnvollerweise extern zu realisieren – etwa in einem auf einem PC oder auf einem Server laufenden Programm.

 

Verbindung mit Stromspeicher

Wer eine Solaranlage mit einem Solarstromspeicher betreibt, benötigt eine entsprechend umfangreichere Elektronik, die insbesondere eine günstige Betriebsstrategie für Ladung und Entladung des Speichers implementiert. Die Entscheidung darüber, beispielsweise welcher Anteil der momentan überschüssigen Leistung gespeichert oder ins Netz eingespeichert wird, ist nicht ganz trivial; sie sollte z. B. die Wetterprognose berücksichtigen. Zudem muss der Batterieladezustand genau überwacht werden, auch im Hinblick auf ihre Lebensdauer.

Diese Aufgaben gehen weit über die Funktionen eines Wechselrichters hinaus, sind aber teils nicht unabhängig von ihm realisierbar. Man benötigt also eine elektronische Anlage, die mit einem entsprechend steuerbaren Wechselrichter verbunden ist bzw. diesen enthält. Werden Speicher später nachgerüstet, kann es vorkommen, dass der bislang verwendete Wechselrichter nicht mehr verwendbar ist. Daher sollten Ausbauten früh bedacht und entsprechend geplant werden, um unnötige Kosten zu vermeiden.

Der Autor

Dr. Rüdiger Paschotta ist Physiker. Über seine RP Photonics Consulting GmbH bietet er Beratung u. a. im Energiebereich am. Er ist Autor des RPEnergie-Lexikons, das bereits über 700 Fachartikel enthält, frei zugänglich ist und unbeeinflusst von Partikularinteressen weiterentwickelt wird.

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