Solarwechselrichter

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 Gleichstromsteller 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

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 Photovoltaikanalagen 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 oder wenigen Str(a|ä)ng(en) 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 kW_p eingesetzt wird. Der modulare Aufbau vereinfacht nötige Reparaturen.

Schaltungstechnik

Grundsätzlich kann man zwei Arten von Solarwechselrichtern unterscheiden:

Geräte mit Trafo

hier übernimmt ein Transformator die galvanische Trennung zwischen DC und AC Seite. Durch die galvanische Trennung kann der PV-Generator einpolig geerdet werden. Dadurch entstehen keine freischwebenden Potenziale in der Anlage. Manche Modularten benötigen dies, sowie es in einigen Ländern auch zwingend vorgeschrieben ist.

trafolose Geräte

hier sind Eingangsseite und Ausgangsseite elektrisch miteinander verbunden. Da bei diesem Schaltungsaufbau kein Transformator benötigt wird, besitzen diese Geräte meist einen höheren Wirkungsgrad. Die fehlende galvanische Trennung erfordert allerdings ein anderes elektrisches Sicherheitskonzept.

Am DC-Eingang des Solarwechselrichters sitzt meist ein Eingangswandler. Bei diesem Wandler handelt es sich häufig um einen Aufwärtswandler mit sehr gutem Wirkungsgrad. Der Ausgangskreis hat ebenfalls einen guten Wirkungsgrad der über einen weiten Lastbereich besteht. Zur weiteren Optimierung der Effizienz wurden sogenannte trafolose Wechselrichter entwickelt. Die Schaltungstechnologien laufen unter der Bezeichnung H5- oder Heric-Topologie. Allerdings ist bei diesen Geräten eine Erdung der Solarmodule aus Personenschutzgründen erforderlich.

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

Betrieb

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 von Netz, falls dieses abgeschaltet wird bzw. ausfällt.

Es wird oft mit hohen Wirkungsgraden 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 kW_p über die Möglichkeit verfügen vom Netzbetreiber in der eingespeisten Wirkleistung reduziert zu werden (§6.1 EEG). Weiters besteht die Möglichkeit, dass eine bestimmte Menge Blindleistung zur Verfügung gestellt wird. In der Praxis werden diese Vorgaben dynamisch über Rundsteuerempfänger realisiert, die eine 4-stufige Wirkleistungsreduzierung signalisieren können bzw. einen von 1 abweichenden Wirkfaktor von beispielsweise cos φ = 0,95 (induktiv) vorgeben. Durch das zur Verfügung stellen von induktiver Blindleistung können kapazitiv bedingt Überspannungen vermieden werden.^[1]

Ab Juli 2011 müssen auch kleinere Anlagen im Niederspannungsnetz vergleichbare Regelfunktionen anbieten.^[2]

Einphasige Anlagen dürfen in Deutschland nur bis zu einer maximalen Leistung von 5 kW_p (4,6 kW Dauerleistung) in das Stromnetz einspeisen^[3]. Diese Beschränkung dient der Netzstabilität und vermeidet Schieflasten. Neben der Grundlegenden Funktion der Energiewandlung verfügt ein Solarwechselrichter über eine umfangreiche Datenerfassung und teils Möglichkeiten zu Fernwartung.

Inselbetrieb

Anlagen für den Inselbetrieb benötigen je nach Größe des Netzes zusätzliche Steuereinrichtungen zur Abstimmung mit anderen Stromerzeugern und Energiespeichern. Kleinanlagen werden teils mit integrierten Batteriesystemen angeboten, verfügen aber über keine Netzsynchronisation, da deren Vorgabe durch andere Stromerzeuger fehlt.

Siehe auch

• Photovoltaikmonitoring
• Mittelspannungsrichtlinie

Weblinks

• Photovoltaische Energiesysteme (PDF) Dokument der Hochschule Emden/Leer

Einzelnachweise

1. ↑ Warum Blindleistung wichtig und richtig ist, Oktober 2009
2. ↑ Photovoltaik – Niederspannungsrichtline, März 2011
3. ↑ VDN – Merkblatt zur VDEW-Richtlinie, abgerufen am 2. Oktober 2010