Solar Inverter

Ein Solar-Wechselrichter oder PV-Wechselrichter, ist eine Art von elektrischen Wandler, der die variable Gleichstrom (DC) -Ausgang von einem Photovoltaik (PV) Solarpanel in einen Netzwechselstrom (AC) umwandelt, der in ein kommerzielles Stromnetz eingespeist werden kann verwendet von einem lokalen, netzunabhängigen Stromnetz. Es handelt sich um eine kritische Systemkomponente (BOS) in einer Photovoltaikanlage, die die Verwendung von gewöhnlichen AC-betriebenen Geräten ermöglicht. Solarstrom-Wechselrichter haben spezielle Funktionen, die für die Verwendung mit Photovoltaik-Anlagen angepasst sind, einschließlich der Verfolgung der maximalen Leistungspunkte und des Schutzes vor Inselbildung.

Einstufung
Solarwechselrichter können in drei große Typen eingeteilt werden:

Stand-alone-Wechselrichter, die in isolierten Systemen verwendet werden, in denen der Wechselrichter seine Gleichstrom-Energie aus Batterien bezieht, die von Photovoltaikanlagen geladen werden. Viele Stand-alone-Wechselrichter enthalten auch integrierte Batterieladegeräte, um die Batterie von einer Wechselstromquelle aufzufüllen, wenn diese verfügbar ist. Normalerweise stehen diese nicht in irgendeiner Weise mit dem Versorgungsnetz in Verbindung und benötigen daher keinen Anti-Islanding-Schutz.
Grid-Tie-Wechselrichter, die mit einer vom Versorgungsnetz gelieferten Sinuswelle übereinstimmen.Netzeinbau-Wechselrichter sind so ausgelegt, dass sie bei Ausfall der Energieversorgung aus Sicherheitsgründen automatisch abgeschaltet werden. Sie bieten keine Notstromversorgung bei Stromausfall.
Battery Backup-Wechselrichter sind spezielle Wechselrichter, die Energie aus einer Batterie beziehen, die Batterieladung über ein Onboard-Ladegerät verwalten und überschüssige Energie ins öffentliche Stromnetz exportieren. Diese Wechselrichter sind in der Lage, ausgewählten Verbrauchern während eines Stromausfalles AC-Energie zuzuführen, und benötigen einen Schutz gegen Inselnetzbildung.

Gerätetypen
Modularer Wechselrichter (Mikro-Wechselrichter)
Jedes einzelne Solarmodul verfügt über einen eigenen einphasigen Wechselrichter, der in die Anschlussdose integriert werden kann.
Dies ist ein DC-DC-Wandler, dessen Aufgabe es ist, 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 orientierten oder unterschiedlich schraffierten Teilfeldern bestehen, beispielsweise mit Solarmodulen beschichtete Autos oder Flugzeuge.

String-Wechselrichter (Englischer String Inverter)
Ein meist einphasiger Wechselrichter, der die Energie eines oder mehrerer Stränge von Solarmodulen in ein Stromnetz einspeist.

Multi-String-Wechselrichter
Ein- oder dreiphasiger Wechselrichter, der mit mehr als einem MPP-Tracker für mehrere (auch unterschiedliche) Strings von Solarmodulen ausgestattet ist.

Zentralwechselrichter
Ein großes elektrisches System, oft im Format eines Schaltschranks, aber auch als Station in Containerbauweise, die üblicherweise ab einer Spitzenleistung von über 100 kW eingesetzt wird. Der modulare Aufbau vereinfacht notwendige Reparaturen.

Hybrid-Wechselrichter
Kombination aus Wechselrichter und internen oder externen Akkus. Daraus ergeben sich die Möglichkeiten der unterbrechungsfreien Stromversorgung sowie die Optimierung des Eigenverbrauchs im Feed-Modus.

Schaltung und Effizienz
Grundsätzlich können Sie zwei Arten von Solarwechselrichtern unterscheiden:

Geräte mit Transformator
Hier übernimmt ein Transformator die galvanische Trennung zwischen DC- und AC-Seite. Aufgrund der galvanischen Trennung kann der PV-Generator in einem Pol geerdet werden – es gibt keine Wechselspannungspotentiale im System. Es ist auch in einigen Ländern obligatorisch.

Trafolose Geräte
Hier sind Eingangsseite und Ausgangsseite elektrisch miteinander verbunden. In diesem Schaltungsdesign wird kein Transformator verwendet, diese Vorrichtungen weisen daher üblicherweise eine höhere Effizienz auf. Die fehlende galvanische Trennung erfordert jedoch ein anderes elektrisches Sicherheitskonzept. Zum Teil Wechselspannungen der Solarmodule gegen Erde, die zu Verlusten führen können und mit Dünnschichtmodulen zur Degradation. Um die Effizienz weiter zu erhöhen und Leckströme zu vermeiden, wurden Schaltungstechnologien mit der Bezeichnung H5 oder Heric-Topologie entwickelt.
Am DC-Eingang des Solarwechselrichters befindet sich üblicherweise ein Eingangswandler. Dieser Wandler ist oft ein Aufwärtswandler mit sehr hohem Wirkungsgrad. Die Ausgangsschaltung muss auch einen hohen Wirkungsgrad über einen weiten Lastbereich haben.

Um Wechselrichter mit Transformatoren zu optimieren, übernimmt der Wechselrichter oft die Funktion des Eingangstransformators, so dass der Zwischenkreis entfällt. Dies wird als Direct Feed oder Direct Converter bezeichnet. Der Wirkungsgrad verbessert sich, da nur ein Konverter benötigt wird. Solche Geräte haben jedoch einen kleineren Bereich mit optimalem Wirkungsgrad, so dass sich insbesondere in Systemen mit Teilabschattung relativ schnell Vorteile erzielen lassen.

Der Wirkungsgrad von Solarwechselrichtern ist vergleichbar mit dem Euro-Wirkungsgrad, der insbesondere Teillastfälle bewertet.

In der Solarindustrie wird der Begriff kWp verwendet, um Spitzenleistung anstelle von kW zu bezeichnen. Dies entspricht jedoch nicht den Regeln des Internationalen Einheitensystems, nach denen die Einheitsbezeichnungen nicht ergänzt werden. Siehe auch: Rechtschreibung der Einheitenzeichen.

Maximale Leistungspunktverfolgung
Solar-Wechselrichter verwenden MPPT (Maximum Power Point Tracking), um die maximal mögliche Leistung des PV-Generators zu erhalten. Solarzellen haben eine komplexe Beziehung zwischen Sonneneinstrahlung, Temperatur und Gesamtwiderstand, die eine nicht lineare Ausgangsleistung, die sogenannte IV-Kurve, erzeugt. Es ist der Zweck des MPPT-Systems, die Ausgangsleistung der Zellen zu messen und einen Widerstand (Last) zu bestimmen, um für jede gegebene Umgebungsbedingung maximale Leistung zu erhalten.

Der Füllfaktor, besser bekannt unter der Abkürzung FF, ist ein Parameter, der in Verbindung mit der Leerlaufspannung (Voc) und dem Kurzschlussstrom (Isc) des Panels die maximale Leistung einer Solarzelle bestimmt. Der Füllfaktor ist definiert als das Verhältnis der maximalen Leistung von der Solarzelle zum Produkt von Voc und Isc.

Es gibt drei Haupttypen von MPPT-Algorithmen: Perturb-and-Observe, Inkremental-Leitwert und Konstantspannung. Die ersten beiden Methoden werden oft als Hill-Climbing-Methoden bezeichnet;Sie stützen sich auf die Leistungskurve, die gegen die Spannung aufgetragen wird, die links vom maximalen Leistungspunkt liegt, und fallen auf die rechte Seite.

Betrieb
In einigen europäischen Ländern wird netzseitig ein sogenanntes Netzwerküberwachungsgerät mit zugehörigen Schaltgeräten (ENS) benötigt, das den Wechselrichter bei ungewollter Inselung abschaltet. Bei Anlagen mit einer installierten Leistung über 30 kW kann auf die ENS verzichtet werden. Für eine sichere Trennung vom Netzwerk gibt es ausreichend Frequenz- und Spannungsüberwachung mit allpoliger Abschaltung, wenn diese abgeschaltet ist oder ausfällt.

Es wird oft mit einer hohen Effizienz des Wechselrichters beworben. Im Teillastbereich ist es etwas niedriger und wird daher gemittelt und dann als „europäischer Wirkungsgrad“ bezeichnet. Die Effizienz des Wechselrichters entscheidet jedoch nicht allein über den Gesamtwirkungsgrad einer Photovoltaikanlage.

Seit Januar 2009 müssen Photovoltaikanlagen in Deutschland mit einer installierten Leistung von mehr als 100 kW durch den Netzbetreiber in der eingespeisten Wirkleistung reduziert werden können (§ 6.1 EEG). Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass eine gewisse Blindleistung bereitgestellt wird. In der Praxis werden diese Vorgaben dynamisch über Rundsteuerempfänger realisiert, die eine vierstufige Wirkleistungsreduktion signalisieren können oder einen von 1 abweichenden Wirkfaktor von beispielsweise cos φ = 0,95 (induktiv) vorgeben. Durch die Bereitstellung von induktiver Blindleistung können kapazitive Überspannungen vermieden werden.

Ab Juli 2011 müssen kleinere Anlagen im Niederspannungsnetz vergleichbare Steuerungsfunktionen bieten. Länderspezifische weitere Regelungen führen zu Versorgungsengpässen und höheren Produktionskosten. Gegenkonzepte wie Net Metering verfolgen einen einfacheren Ansatz und verlagern das Problem auf den Netzbetreiber.

Bei größeren Systemen, die unter anderem der Mittelspannungsrichtlinie entsprechen, sind weitere Maßnahmen zur dynamischen Netzstabilisierung wie die Fähigkeit zur Niederspannungsdurchfahrt erforderlich. Die Maßnahmen sollen eine unerwünschte und gleichzeitige Abschaltung vieler Systeme mit kurzzeitiger lokaler Unterspannung, wie sie bei Kurzschlüssen oder anderen Fehlern in den Drehstromnetzen auftreten, vermeiden.

Einphasige Systeme dürfen in Deutschland nur bis zu einer maximalen Leistung von 5 kW (4,6 kW Dauerleistung) in das Stromnetz einspeisen. Diese Einschränkung ist die Netzwerkstabilität und vermeidet unsymmetrische Lasten. Neben der Grundfunktion der Energieumwandlung verfügt ein Solar-Wechselrichter über eine umfangreiche Datenerfassung und teilweise Fernwartung.

Netzfrequenz
Die elektrische Energie im Stromnetz kann kurzfristig nicht in großen Mengen gespeichert werden.Es ist daher immer notwendig, ein Energiegleichgewicht zwischen Produktion und Verbrauch herzustellen. Um dies zu gewährleisten, wird die Netzfrequenz als Regelgröße in wechselspannungsgespeisten Stromnetzen verwendet. In Europa ist dies als 50,0 Hz definiert. Die Abweichung vom Sollwert zeigt einen Energieüberschuss (erhöhte Netzfrequenz) oder einen Energieausfall (reduzierte Netzfrequenz) an. Um ein Überangebot an Strom im Stromnetz zu vermeiden, müssen Wechselrichter daher bei Überschreitung eines länderspezifischen Grenzwertes (in Deutschland 50,2 Hz) ständig die Netzfrequenz überwachen und vom Netz trennen. Da inzwischen ein überwiegender Teil der erzeugten elektrischen Energie aus Photovoltaikanlagen in Deutschland stammt, würde eine harte Abschaltung aller Systeme mit diesem Grenzwert einen gegenteiligen Effekt auslösen und wiederum eine Netzinstabilität verursachen. Daher wurde diese Grenze für Anlagen über 10 kW nachträglich auf einen zufälligen Wert erhöht. Neuere Anlagen müssen einen Powergradienten zwischen 50,2 und 51,5 Hz haben, der die Einspeiseleistung in Abhängigkeit von der aktuellen Netzfrequenz reduziert oder erhöht und somit aktiv zur Netzstabilisierung beiträgt.

Inselbetrieb
In Systemen für den Inselbetrieb ermöglichen spezielle Inselwechselrichter den Einsatz konventioneller Verbraucher für 230 V AC. Ausschlaggebend ist die maximale Leistung. Zu diesem Zweck können einzelne Wechselrichter parallel geschaltet werden, aber abhängig von der Größe des Netzes benötigen sie jedoch zusätzliche Steuergeräte zur Abstimmung mit den anderen Generatoren und dem Energiespeicher. Kleine Systeme werden manchmal mit integrierten Batteriesystemen angeboten, haben aber keine Netzwerksynchronisation, da ihre Vorgabe durch andere Stromgeneratoren fehlt.

Solar-Mikro-Wechselrichter
Der Solar-Wechselrichter ist ein Wechselrichter, der mit einem einzigen PV-Modul betrieben werden kann. Der Mikro-Wechselrichter wandelt den Gleichstromausgang von jedem Panel in Wechselstrom um. Sein Design ermöglicht eine modulare Verbindung mehrerer unabhängiger Einheiten.

Zu den Vorteilen von Micro-Wechselrichtern zählen die Optimierung der Einzelpanel-Leistung, der unabhängige Betrieb jedes Panels, Plug-and-Play-Installation, verbesserte Installation und Brandschutz, minimierte Kosten durch Systemdesign und Lagerminimierung.

Eine Studie aus dem Jahr 2011 an der Appalachian State University berichtet, dass ein einzelnes integriertes Wechselrichter-Setup unter schattierten Bedingungen etwa 20% mehr Leistung und unter schattierten Bedingungen um 27% mehr Leistung erbrachte, verglichen mit String-Setup mit einem Wechselrichter. Beide Setups verwendeten identische Solarzellen.

Netzgebundene Solar-Wechselrichter
Solar-Wechselrichter sind so konzipiert, dass sie sich schnell vom Stromnetz trennen können, wenn das öffentliche Stromnetz ausfällt. Dies ist eine NEC-Anforderung, die sicherstellt, dass der Wechselrichter im Falle eines Stromausfalls abgeschaltet wird, um zu verhindern, dass die Energie, die er erzeugt, Leitungsarbeiter verletzt, die das Stromnetz reparieren.

Grid-Tie-Wechselrichter, die heute auf dem Markt verfügbar sind, verwenden eine Reihe verschiedener Technologien. Die Wechselrichter können die neueren Hochfrequenztransformatoren, herkömmliche Niederfrequenztransformatoren oder keinen Transformator verwenden. Statt Gleichstrom direkt in 120 oder 240 Volt Wechselstrom umzuwandeln, verwenden Hochfrequenztransformatoren einen computergestützten mehrstufigen Prozess, bei dem die Leistung in hochfrequenten Wechselstrom und dann zurück in Gleichstrom und dann in die endgültige Wechselstromausgangsspannung umgewandelt wird.

In der Vergangenheit gab es Bedenken, dass transformatorlose elektrische Systeme in das öffentliche Versorgungsnetz eingespeist werden. Die Bedenken rühren daher, dass die galvanische Trennung zwischen den DC- und AC-Stromkreisen fehlt, wodurch gefährliche DC-Fehler auf die AC-Seite gelangen könnten. Seit 2005 ermöglicht der NEC der NFPA transformatorlose (oder nicht-galvanische) Wechselrichter. Die VDE 0126-1-1 und IEC 6210 wurden ebenfalls geändert, um die für solche Systeme erforderlichen Sicherheitsmechanismen zu ermöglichen und zu definieren. In erster Linie wird eine Rest- oder Erdstromerfassung verwendet, um mögliche Fehlerzustände zu erkennen.Es werden auch Isolationstests durchgeführt, um eine Gleichstrom-Wechselstrom-Trennung sicherzustellen.

Viele Solarwechselrichter sind für den Anschluss an ein Stromnetz ausgelegt und funktionieren nicht, wenn sie das Vorhandensein des Netzes nicht erkennen. Sie enthalten spezielle Schaltungen, um die Spannung, Frequenz und Phase des Gitters präzise anzupassen.

Solarpumpen-Wechselrichter
Moderne Solarpumpen-Wechselrichter wandeln Gleichspannung aus der Solaranlage in Wechselspannung um, um Tauchpumpen direkt ohne Batterien oder andere Energiespeicher anzutreiben. Durch die Verwendung von MPPT (Maximum Power Point Tracking) regeln Solarpumpen-Wechselrichter die Ausgangsfrequenz, um die Drehzahl der Pumpen zu steuern, um den Pumpenmotor vor Schäden zu bewahren.

Solar pumpende Wechselrichter haben normalerweise mehrere Anschlüsse, um die Eingabe von Gleichstrom zu ermöglichen, der von PV-Arrays erzeugt wird, einen Anschluss, um die Ausgabe von Wechselspannung zu ermöglichen, und einen weiteren Anschluss für die Eingabe von einem Wasserstandssensor.

Markt
Ab 2014 erreichte die Umwandlungseffizienz für hochmoderne Solar Converter mehr als 98 Prozent.Während String-Wechselrichter in privaten bis mittelgroßen gewerblichen PV-Anlagen zum Einsatz kommen, decken Zentral-Wechselrichter den großen kommerziellen Markt ab. Der Marktanteil von Zentral- und String-Wechselrichtern beträgt etwa 50 Prozent bzw. 48 Prozent, weniger als 2 Prozent entfallen auf Mikro-Wechselrichter.

Wechselrichter- / Umrichtermarkt im Jahr 2014