Konzepte für den Weg ins Netz

Der Wechselrichter ist das Bindeglied zwischen den Solarmodulen und dem Stromnetz und wandelt den vom Solargenerator erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um. Wechselrichter werden in verschiedenen Leistungsgrößen angeboten, von wenigen Kilowatt bis mehrere hundert Kilowatt.
Je nach Verschaltungskonzept einer Pho- tovoltaikanlage unterscheidet man Zen tralwechselrichter, String- oder Multistringwechselrichter und Modulwechselrichter. Zur Optimierung des Anlagenertrages und der Wechselrichterlebensdauer werden mehrere Wechselrichter oft nach dem Master-Slave-Verfahren oder dem Team-Konzept verschaltet.
Beim Zentralwechselrichterkonzept werden alle Module – also der gesamte Solargenerator – auf einen Wechselrichter ver schaltet. Bei vielen Photovoltaikanlagen ist es aber notwendig oder einfach sinnvoller, die Solarmodule auf mehrere String- oder Multistringwechselrichter aufzuteilen, beispielsweise bei größeren Anlagenleistungen, bei Teilverschattungen oder bei unterschiedlichen Ausrichtungen und Neigungen der Solarmodule innerhalb des Solargenerators. Dabei hat ein Wechselrichter verschiedene Aufgaben zu erfüllen:. Der Wechselrichter wandelt den von den Solarmodulen gelieferten Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom um. Je nach Größe der Photovoltaikanlage erfolgt die Umwandlung in einphasigen Wechselstrom mit 230 Volt Nennspannung oder – bei größeren Anlagen – in Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom) mit 400 Volt Nennspannung.

MPP-Regelung

In Abhängigkeit von der Einstrahlung und der Temperatur ändert sich der optimale Arbeitspunkt des Solargenerators. Der Wechselrichter hat die Aufgabe, jeweils den optimalen Arbeitspunkt des Solargenerators zu finden. Der
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optimale Arbeitspunkt ist der Punkt, bei dem bei der gegebenen Einstrahlung die maximale Leistung des Solargenerators erzielt wird (MPP = Maximum Power Point). Als MPP-Tracking bezeichnet man die Suche und das Nachführen des MPP auf der Generatorkennlinie. Je besser das MPP-Tracking ist, desto schneller ist der Wechselrichter auf den optimalen Arbeitspunkt eingeregelt und desto geringer sind die Ertragsverluste, die während des Suchens des optimalen Arbeitspunktes entstehen.

Überwachung und Abschaltung

Heutige Wechselrichter müssen eine Photovoltaikanlage bei Netzstörungen unbedingt vom Netz nehmen. Das hat sich historisch so entwickelt, weil man davon ausgeht, dass im Stromnetz normalerweise keine Störungen auftreten und ein spannungsloses Stromnetz daher in der Regel auf Wartungsarbeiten des Netzbetreibers zurückzuführen ist, auch wenn das in jüngster Zeit nicht immer der einzige Grund war. Zum Schutz der Netzmonteure hat der Wechselrichter daher die Aufgabe, die Einspeisung des Solargenerators zu unterbinden, sobald an seinem Einspeisepunkt kein Netz mehr vorhanden ist. Diese Abschaltung passiert je nach Auslösegrund innerhalb von Sekundenbruchteilen bis hin zu wenigen Sekunden. In bestimmten Zeitintervallen nach einer Abschaltung prüft der Wechselrichter dann, ob das Netz wieder vorhanden ist und schaltet sich dann gegebenenfalls wieder ein. Aktuell geht die Entwicklung aber auch dahin, dass nur längere Störungen, die bis zu einigen Minuten dauern müssen, zu einer Abschaltung des Wech selrichters führen und der Wechselrichter bei kleineren Störungen nicht abschaltet, sondern das Stromnetz stabilisiert.

Mit oder ohne Trafo?

Je nach Schaltungskonzept kommen Wechselrichter mit oder ohne Trafo zum Einsatz. Wechselrichter ohne Trafo haben in der Regel einen höheren Wirkungsgrad, weil die Trafoverluste entfallen, und sind in vielen Fällen auch günstiger, weil sie weniger Komponenten enthalten. Daher werden heute wohl die meisten Photovoltaikanlagen mit trafolosen Wechselrichtern geplant und gebaut. Trafowechselrichter kommen vor allem dann zum Einsatz, wenn die ausgewählten Module und das Anlagenkonzept es erfordern, zum Beispiel bei einer Anlagenauslegung mit niedriger Systemspannung und hohem Strom. Auch für Photovoltaikanlagen mit Dünnschichtsolarmodulen sind Trafowechselrichter gut geeignet.
Bei trafolosen Wechselrichtern ist die Erdung des Generatorgestells aus Personenschutzgründen zwingend erforderlich, bei Trafowechselrichtern kann – soweit es nicht aus Blitzschutzgründen erforderlich ist – darauf verzichtet werden. Bei trafolosen Wechselrichtern ist – im Gegensatz zu Trafowechselrichtern – eine Isolationsüberwachung und ein allstromsensitiver Fehlerstromschutz notwendig. Trafolose Wechselrichter sind – wegen des fehlenden Trafos – leichter als Trafowechselrichter. Trafolose Wechselrichter haben in der Regel eine höhere Systemspannung (z. B. 800 Volt) als Trafowechselrichter (z. B. 500 Volt), dadurch liegt oft auch der MPP-Bereich für trafolose Wechselrichter (z. B. 350 bis 700 Volt) über dem MPP-Bereich von Trafowechselrichtern (z. B. 125 bis 400 Volt).

Wechselrichter und Verschaltung

Die Solarmodule eines Solargenerators können sowohl parallel, in Reihe oder in Kombination aus beidem verschaltet werden. Für die Parallelschaltung gilt: Die Ströme der einzelnen Module addieren sich, die Spannung bleibt gleich. Für die Reihenschaltung gilt: Die Spannungen addieren sich, der Strom durch die Module bleibt gleich. Die technischen Daten des Solarmoduls (Spannung und Strom) und die Verschaltung der Module haben Auswirkungen auf die Spannung und Stromstärke des gesamten Solarge nerators und beeinflussen die Wahl des passenden Wechselrichters.
Abhängig von den elektrischen Kennwerten der ausgewählten Module und Wechselrichter sollten bei ganzjährig unverschatteten Solargeneratoren so viele Module wie möglich in Reihe geschaltet werden, um eine möglichst hohe Systemspannung von bis zu maximal 1.000 Volt auf der Gleichstromseite zu erreichen. Eine hohe Systemspannung ermöglicht bei gleicher Leistung geringere Ströme. Das führt zu geringeren Leitungsverlusten, da die Kabelverluste mit der Stromstärke im Quadrat zunehmen. Durch die Reihenschaltung der Solarmodule entstehen Strings, die – je nach Gesamtzahl der Module des Solargenerators – dann parallel geschaltet und an den oder die Wechselrichter angeschlossen werden.

Wechselrichterkonzepte

Um es vorweg zu nehmen: Das beste Wechselrichterkonzept gibt es nicht. In der Praxis muss bei der Planung der Photovoltaikanlage immer die örtliche Situation und die einzusetzenden Bauteile aufeinander abgestimmt und das für den Anwendungsfall optimale Wechselrichterkonzept gewählt werden.

Zentralwechselrichter

Bei Zentralwechselrichtern mit hoher Systemspannung wird der gesamte Solargenerator nur mit einem einzigen zentralen Wechselrichter betrieben. Der Solar generator besteht oft zwar aus mehreren Strings mit jeweils möglichst vielen in Reihe geschalteten Modulen. Zwischen dem Solargenerator und dem Wechselrichter werden die Strings jedoch in einem Generatoranschlusskasten zusammengefasst. Dabei entsteht eine kombinierte Reihen- und Parallelverschaltung mit vielen Modulen pro Reihenschaltung im String. Dies setzt voraus, dass die Solarmodule weitgehend gleiche Kennwerte aufweisen und identischen Einstrahlungsbedingungen ausgesetzt sind.
Auch bei Zentralwechselrichtern mit niedriger Systemspannung wird der gesamte Solargenerator nur mit einem zentralen Wechselrichter betrieben. Die Module des Solargenerators sind allerdings überwiegend parallel verschaltet zu einer kombi nierten Reihen- und Parallelverschaltung mit wenigen Modulen pro Reihenschaltung im String. Diese Verschaltung ist vorteilhaft bei Modulen mit unterschiedlichen elektrischen Kennwerten oder bei unterschiedlichen Einstrahlungsbedingungen der Module.

Stringwechselrichter

Bei Stringwechselrichter werden mehrere Solarmodule in Reihe zu einem String zusammengeschaltet und an einen Wechselrichter angeschlossen. Ähnlich wie beim Zentralwechselrichter können dabei durchaus mehrere Strings an einen Wechselrichter angeschlossen werden, aber im Unterschied zum Zentralwechselrichter gibt es für den Solargenerator bei diesem Verschaltungskonzept meh rere Wechselrichter. Stringwechselrichter sind im Begriff, sich zur Allroundlösung zu entwickeln, da sie einen sehr großen Leistungsbereich abdecken, effizienter als Zentralwechselrichter arbeiten und durch die Serienfertigung in hohen Stückzahlen ein großes Kostenreduktionspotenzial bieten.

Multistringwechselrichter

Als Kombination von Zentral- und Stringwechselrichtern sind seit einiger Zeit Multistringgeräte in Leistungsbereichen bis fünf Kilowatt auf dem Markt. Sie entsprechen gleichstromseitig mehreren Stringwechselrichtern und wechselstromseitig einem Zentralwechselrichter. Multistringwechselrichter wurden entwickelt, um auch bei kleineren Dachflächen mit geringem Platzangebot eine möglichst effektive Nutzung der Dachfläche zu ermöglichen. Sie bieten Vorteile gegenüber Zentralwechselrichtern, wenn die Module des Solargenerators unterschiedliche Einstrahlungsbedingungen aufweisen – zum Beispiel bei einer Dachfläche mit 50° Neigung und Dachgaube mit 30° Neigung – oder wenn Strings unterschiedlicher Länge geplant werden müssen – zum Beispiel bei 34 Modulen in jeweils zwei Strings mit acht und neun Modulen.

Modulwechselrichter

Modulwechselrichter sind direkt in jedes einzelne Modul integriert. Die Module liefern damit statt Gleichstrom schon Wechselstrom. Solarmodule mit Modulwechselrichtern sind somit quasi steckerfertige Photovoltaikanlagen. Sie kommen vor allem bei sehr kleinen PV-Anlagen zum Einsatz und konnten sich bislang nur in Randbereichen des Photovoltaikmarktes etablieren.

Master-Slave-Verschaltung

Alle Wechselrichter weisen im Teillastbereich, das heißt bei geringer Sonneneinstrahlung, einen vergleichsweise niedrigen Betriebswirkungsgrad auf. Bei Vollauslastung wird hingegen ein vergleichsweise hoher Wirkungsgrad erreicht. Zur Optimierung des Anlagenertrages gibt es nun die Möglichkeit, bei geringer Einstrahlung nicht alle Wechselrichter arbeiten zu lassen, sondern die Stromwandlung und Einspeisung zunächst mit nur einem Wechselrichter, dem Master, zu beginnen. Wenn die Einstrahlung dann – zum Bei spiel durch einen höheren Sonnenstand oder ein Aufklaren des Himmels – soweit ansteigt, dass ein Wechselrichter alleine dafür nicht ausreicht, werden ein oder mehrere Wechselrichter, die Slaves, dazugeschaltet. Die Verschaltung des Generatorfeldes bleibt dabei unverändert, es werden lediglich je nach Leistungsbedarf Wechselrichter dazu- oder abgeschaltet.

Team-Konzept

Das Team-Konzept ist eine Weiterentwicklung des Stringwechselrichters: Bei geringer Generatorleistung werden alle Strings auf einen Wechselrichter konzentriert. Mit steigender Einstrahlung werden die Strings aufgetrennt und an eigenen Wechselrichtern betrieben. Im Gegensatz zum Master-Slave-Konzept arbeiten die Teamwechselrichter bei Volllast voneinander unabhängig, also jeder in „seinem“ eigenen Betriebspunkt. Neben der Erhöhung des Betriebswirkungsgrades gibt es einen weiteren positiven Effekt: Durch die Stand-by-Zeiten der pausierenden Wechselrichter sinken die Betriebsstunden der Geräte und damit verlängert sich deren Einsatzzeit, die kalendarische Lebensdauer.
Damit alle Wechselrichter bei diesen Verschaltungskonzepten gleich lange betrieben werden, fängt bei Sonnenaufgang immer der Wechselrichter mit den wenigsten Betriebsstunden als Master oder so genannter Teamchef an.

Auslegung Wechselrichter

Bei der Auslegung von Photovoltaikanlagen müssen folgende Punkte beachtet werden:
• Das Verhältnis von Solargenerator-Nennleistung zu Wechselrichter-Nennleistung sollte zwischen 1,0 und 1,1 liegen, zumindest in Deutschland bei einer Südausrichtung der Module und mit 30 Grad Neigung. Die Nennleistung des Solargenerators darf also bis zu zehn Prozent über der Nennleistung des Wechselrichters liegen. In südlichen Ländern mit höherem Solarstrahlungsangebot und höheren Umgebungstem peraturen sollte das Leistungsverhältnis sogar nur bei 1,0 oder weniger liegen.
• Der MPP-Spannungsbereich des Wechselrichters muss zu sämtlichen im Betrieb auftretenden Spannungen des Solargenerators passen. Die maximale Generatorspannung, die meist im Leerlauf bei tiefen Temperaturen auftritt, darf die maximal zulässige Systemspannung der Wechselrichter nicht erreichen, da sonst der Wechselrichter oder die Module durch Überspannung beschädigt werden. Einige Hersteller geben allerdings auch an, dass eine zu hohe Leerlaufspannung unkritisch sei, da im Leerlauffall kein Strom fließe.
• Bereits bei der Auswahl des Wechselrichters ist der spätere Montageort zu berücksichtigen. Ein gleichmäßig kühler Kellerraum ist ideal, ein sommerlich heißer Dachraum ist dagegen kritisch. Moderne Wechselrichter schützen sich vor gelegentlich auftretenden Überlastungen – zum Beispiel bei Überhitzung aufgrund von hohen Umgebungstemperaturen – durch ein so genanntes Derating.
Dieser Begriff bezeichnet das Verschieben des Betriebspunktes entlang der Modulkennlinie weg vom MPP-Arbeitspunkt zu einem Bereich mit geringerer Leistung, der vom Wechselrichter ohne Schädigung seiner Bauteile noch verarbeitet werden kann. Trotzdem ist eine mögliche Überlastung des Wechselrichters schon bei der Planung zu vermeiden.
• Dünnschichtsolarmodule aus amorphem Silizium weisen in den ersten 1.000 Sonnenstunden eine erhebliche Anfangsdegradation auf. In den Datenblättern sind die stabilisierten Werte angegeben. Das bedeutet, Spannung und Strom der Solarmodule sind in fabrikneuem Zustand höher und sinken in den ersten Betriebsmonaten bis auf den so genannten stabilisierten Zustand ab. Bei der Wechselrichterauslegung sind die höheren Anfangswerte zu berücksichtigen, um eine Zerstörung des Wechselrichters zu vermeiden.
Andererseits darf der Wechselrichter nicht so groß dimensioniert werden, dass er bei stabilisiertem Solargenerator vorwiegend in einem ungünstigen Teillastbereich arbeitet.

Wirkungsgrad

Der viel zitierte maximale Wirkungsgrad eines Wechselrichters wird oft überschätzt. Durch das im Tages- und Jahresverlauf wechselnde Strahlungsangebot arbeitet der Wechselrichter nicht nur unter Volllast, sondern oft auch im Teillastbereich. Die Angabe eines maximalen Wirkungsgrades ist daher für die Anlagenplanung und den Vergleich mit Wettbewerbsprodukten wenig aussage kräftig. Nicht der maximale Wirkungsgrad, also der höchste Punkt der Wirkungsgradkurve eines Wechselrichters, ist entscheidend, sondern ein gleich bleibend hoher Wirkungsgrad über einen breiten Anwendungsbereich. Zum Vergleich unterschiedlicher Wechselrichter wurde daher der „europäische Wirkungsgrad“ eingeführt.
Analog zu den Automobilen, bei denen der Normverbrauch zum Vergleich in einem definierten Fahrzyklus gemessen wird, hat man sich einen Vergleichsmaßstab überlegt. Basis der Berechnungsformel sind die Zeitanteile einer bestimmten Wechselrichterauslastung über den Zeitraum eines Jahres und die dazugehörenden Teillastwirkungsgrade.
Der europäische Wirkungsgrad gewichtet also die verschiedenen Teillastwirkungsgrade gemäß ihres zeitlichen Anteils an der jährlichen Betriebszeit des Wechselrichters und ermöglicht somit die Vergleichbarkeit von Wechselrichtern unter mitteleuropäischen Einstrahlungsbedingungen. Der europäische Wirkungsgrad berechnet sich aus den Teillastwirkungsgraden wie folgt: rige gesetzliche Gewährleistung hinaus geben einige Hersteller daher bereits im Normalfall eine freiwillige Produktgarantie von fünf oder mehr Jahren, teilweise inklusive, teilweise gegen Aufpreis. Bisher erreichen Wechselrichter eine durch-schnittliche Lebensdauer von rund zwölf bis 15 Jahren.
Das bedeutet, dass während der Laufzeit der EEG-Vergütung von 20 Jahren der Wechselrichter wahrscheinlich – in der zweiten Dekade – einmal ersetzt werden muss. Die Ersatzleistung im Garantiefall ist frei verhandelbar und sollte im Einzelfall in den jeweiligen Garantiebedingungen des Herstellers nachgelesen werden.
Bei einem Defekt des Wechselrichters ist die Montage eines Austauschgerätes, also der komplette Tausch des Wechselrichters durch den Installateur, oft die schnellste und einfachste Lösung. Der defekte Wechselrichter wird dann vom Hersteller zurückgenommen und die
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defekten Komponenten werden ohne Zeitdruck repariert oder ausgetauscht. Das reparierte Gerät steht anschließend wieder als Austauschgerät für eine andere Photovoltaikanlage zur Verfügung. Bei einigen Herstellern beschränkt sich die Produktgarantie auf die reinen Gerätekosten. Die Wege- und Arbeitszeitkosten des Installateurs sind davon nicht abgedeckt.
Nach Ablauf der Produktgarantie muss der Anlagenbetreiber im Falle eines Defektes auf eigene Kosten einen neuen Wechselrichter beschaffen.
Hier hat sich die Praxis einiger Wechselrichterhersteller bewährt, Reparaturen gegen einen Pauschalpreis und den Austausch des Wechselrichters gegen eine Servicepauschale anzubieten. Der Hersteller erhält auch dabei das defekte Altgerät zurück und kann es – durch Reparatur oder Ausschlachten – weiterverwerten.

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