Wechselrichterauslegung Teil 4: Was man sonst noch beachten sollte

Nach dem in den vorangegangenen Beiträgen ausführlich beschrieben wurde, auf was bei der Auslegung eines Photovoltaikwechselrichters geachtet werden muss, werden in diesem Beitrag noch einige Dinge behandelt die jetzt noch fehlen um eine optimale Auslegung zu erzielen.

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Thema Phasensymmetrie

Das Stromnetz ist an den meisten Orten in der Welt als Drehstromnetz ausgebildet. Das hat viele Gründe unter anderem den, dass man mit einem symmetrischen Drehstromnetz bei gleichem Kupfer- oder Aluminiumverbrauch eine größere Leistung übertragen kann als mit einem Wechselstromnetz (siehe hier). Dazu ist es jedoch erforderlich, dass die drei Phasen des Netzes jeweils den gleichen Strom führen. Nun sind die meisten kleineren Photovoltaikwechselrichter allerdings Wechselstromgeräte und speisen demzufolge nur in eine der drei Netzphasen ein. Um die dadurch bedingten Verluste zu begrenzen hat der BDEW in seinen Richtlinien zum Netzparallelbetrieb von Eigenerzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz in Deutschland festgelegt, dass die Unsymmetrie bei kleinen Eigenerzeugungsanlagen bei maximal 4,6kW liegen darf. Diese Leistung entspricht der AC-Nennleistung (AC=alternating current=Wechselstrom) der Wechselrichter. Will man eine größere Wechselrichterleistung anschließen muss man mehrere Wechselrichter einsetzen und diese auf die drei Netzphasen möglichst symmetrisch aufteilen. Eine Alternative bieten neuerdings echte Drehstromwechselrichter (z.B. von Kostal oder SMA Tripower), die den Solarstrom direkt auf die drei Netzphasen aufteilen. Damit sind dann auch Anlagen, die knapp über der 5 kW Grenze liegen mit nur einem Wechselrichter realisierbar. Es gibt auch Drehstromwechselrichter, die eigentlich keine “echten” Drehstromwechselrichter sind, sondern einfach drei einphasige Wechselrichter, die in einem Gehäuse untergebracht wurden. (z.B. Kaco POWADOR 30000xi). Bei diesen Geräten gibt es für jeden der drei Ausgänge auch jeweils einen DC Eingang. Es muss daher bei der Auslegung darauf geachtet werden, dass der Leistungsunterschied zwischen den drei Eingängen auf der DC Seite nicht größer als 4,6 kW/Eta wird (Eta ist hierbei der Wirkungsgrad des Wechselrichters). Einige Wechselrichterhersteller bieten inzwischen Produkte an, die mehrere Wechselrichter durch eine Datenleitung verbinden um auch bei Funktionsstörungen einzelner Geräte stets eine Symmetrie der Einspeisung zu gewährleisten( z.B. SMA Power Balancer). Ob dies notwendig ist, hängt jedoch in erster Linie von den Vorgaben des lokalen Netzbetreibers ab, die sich innerhalb Deutschlands zum Teil erheblich unterscheiden.

Thema Wechselrichter mit großen Eingangsspannungsbereich

Es gibt inzwischen viele Wechselrichter, die den Prozess der Auslegung sehr stark dadurch vereinfachen, dass man sehr viele Modulkombinationen an die Geräte anschließen kann. Erreicht wird diese Vielfalt durch eine Anpassungselektronik, die dem eigentlichen Wechselrichter vorangestellt wird. (der Nutzer merkt davon selbstverständlich nichts, da beide Einheiten im selben Gehäuse verbaut werden). Diese Anpassungselektronik ist in der Regel als sogenannter Hochsetzsteller ausgeführt und ist dazu in der Lage eine variable Gleichspannung (z.B. von 125V – 350V) in eine nahezu konstante Gleichspannung von z.B. 350 V zu verwandeln. Manche Hersteller realisieren die Anpassung auch durch Hochfrequenz Transformatoren mit umschaltbaren Wicklungen. (z.B. die Fronius IG Serie), andere machen es mit einem konventionellen Hochsetzsteller (z.B. SMA SB 2100TL, SB4000TL oder SB5000TL). Das hat den Charme, dass man bei der Anzahl der Module, die man in Reihe schalten darf sehr flexibel ist. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch der etwas niedrigere Wirkungsgrad dieser Geräte, der schlicht dadurch begründet ist, dass man gegenüber einem “reinen Wechselrichter” eine Umwandlungsstufe mehr benötigt und jede Umwandlung der Spannung natürlich mit einem kleinen Verlust verbunden ist. Was bei der Auslegung dieser Wechselrichter besonders zu beachten ist, ist die Tatsache, dass sich die Leistung dieser DC/DC Vorstufe oft von der des eigentlichen Wechselrichters unterscheidet. Das bedeutet, dass man bei so einem Gerät nicht selbstverständlich davon ausgehen kann, dass die im Datenblatt angegebene Leistung auch über den gesamten Eingangsspannungsbereich gilt. Ein kurzes Beispiel soll diesen Sachverhalt verdeutlichen: Ein Wechselrichter habe eine maximale AC Leistung von 2 kW und einen Wirkungsgrad von 96%. Dann beträgt die maximale DC Leistung (DC=direct current=Gleichstrom) 2kW/0,96 = 2,083 kW. Wenn dieser Wechselrichter nun einen Eingangsspannungsbereich von z.B 125V-550V hat bedeutet dies für den Eingangsstrom, dass er zwischen 16,6A und 3,78A liegen kann (2083/125 bzw 2083/550). Der Wandler, der dies machen soll muss also sowohl 550V aushalten, als auch 16,6A schalten können. Das bedeutet es muss ein Wandler sein, der im Prinzip 9,13kW verarbeiten können muss. (Für den Leistungstransistor der in diesem Wandler eingebaut ist, ist es völlig egal dass in dieser speziellen Anwendung die 550V und die 16,6A nie gleichzeitig vorkommen. Wenn er einmal 16,6 A vertragen muss und einmal 550V, dann sind das seine Kenndaten und die bestimmen seinen Preis). Das ist der Grund dafür, warum bei diesen Wechselrichtern meist ein maximal zulässiger Eingangsstrom angegeben wird. Die Hersteller verzichten damit – zugunsten eines besseren Preises – darauf auch bei der kleinsten DC Spannung schon die volle Nennleistung übertragen zu können. Für die Wechselrichterauslegung bedeutet dies, dass man zunächst schauen muss bei welcher minimalen Eingangsspannung die angegebene Nennleistung erreicht wird. Bei der Berechnung nach Kriterium 2 darf diese dann in keinem Fall unterschritten werden. Wenn Sie sich nun die Frage stellen, warum man dann überhaupt noch kleinere Eingangsspannungen zulässt sei dies wie folgt beantwortet: In den seltensten Fällen arbeitet der Wechselrichter wirklich mit seiner Nennleistung. Meist liegt die Leistung deutlich darunter (siehe Kriterium 3). In diesen Fällen wäre er dann in der Lage mit noch kleineren Spannungen zurecht zu kommen. Wann das gebraucht wird ? Nun, bei sehr flach stehender Sonne (= kleiner MPP Strom) und Teilverschattung. Bei Teilverschattung entstehen mehrere relative MPP. Der absolute MPP liegt dann bei einer Spannung die deutlich unter der Nennspannung liegt. Wenn der Wechselrichter die Spannung soweit absenken kann dass diese Spannung noch erreicht wird, kann er aus den unverschatteten Modulen noch das Maximale herausholen. (Die Dachgaupe, die morgens früh oder am Abend einen harten Schlagschatten auf den Solargenerator wirft wäre ein klassisches Beispiel dafür)

Thema Multistringwechselrichter

Im vorherigen Abschnitt wurden Wechselrichter beschrieben, die im Prinzip aus zwei elektronischen Baugruppen bestehen. Dem DC/DC Wandler und dem eigentlichen Wechselrichter. Die Aufgabe des MPP Tracking, das heißt das Auffinden des Punktes maximaler Leistung auf einem Solargenerator ist dabei die Aufgabe des DC/DC Wandlers. Die Idee des Multistring Wechselrichters besteht nun schlicht darin, mehrere DC/DC Wandler-Baugruppen mit einer einzigen Wechselrichterbaugruppe zu kombinieren. Die Vorteile die man dadurch hat liegen auf der Hand. Man kann Generatoren die auf unterschiedlich geneigten oder unterschiedlich ausgerichteten Dächern montiert sind mit einem einzigen Gerät bedienen. Jeder Generatorteil erhält seinen eigenen DC/DC Wandler und damit seinen eigenen MPP Tracker. Die Energie wird von der Gleichspannungsseite in einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis gepumpt (das sind einfach die Eingangselkos der Wechselrichterbaugruppe). Hier kommt nun wieder der “klassische Wechselrichter” ins Spiel. Dieser muss lediglich dafür sorgen, dass die Zwischenkreisspannung nicht zu groß wird. Das schafft er ganz einfach dadurch, dass er den ins Netz eingespeisten Strom bei steigender Zwischenkreisspannung erhöht.

In letzter Zeit kommen wieder Varianten dieser Idee auf den Markt bei denen die DC/DC Baugruppe komplett vom eigentlichen Wechselrichter getrennt wurde. So kann man z.B. den DC/DC Wandler auch direkt in der Modulanschlussdose unterbringen. Jedes Modul hat dadurch seinen eigenen MPP Regler und arbeitet mit allen anderen Modulen auf einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis. Der Wechselrichter muss dann keine MPP Regelung mehr haben, sondern lediglich noch den gelieferten Strom in Wechselstrom verwandeln. (siehe auch hier)

Was muss man bei der Auslegung beachten ?

Die Summe der Leistungen der DC/DC Vorstufen ist meist größer als die Nennleistung der Wechselrichterendstufe. Man kann die Leistung der Vorstufe durchaus voll ausschöpfen, wenn gewährleistet ist, dass nie alle Vorstufen gleichzeitig Ihre Maximalleistung erreichen. (Beispiel wäre ein Ost/West Dach bei dem entweder die Ost- oder die Westseite gerade ihr Maximum hat).

Kommentare

  1. hallo liebes PV Büro Team,

    ich beabsichtige eine PV Anlage zw. 4 und 5 KWp in Österreich vorwiegend für den Eigenverbrauch zu installieren, da der Einspeistarif sehr niedrig und der Preis des netzgekauften Stoms doch hoch ist.
    Wenn ich die Sache richtig sehe, benötige ich sinnvollerweise einen Mehrpasen Wechselrichter um mehrer Verbraucher die ja auf alle 3 Phasen verteilt gleichzeitig aus der PV Anlage zu betreiben – oder?
    Bei einem Einphasen Wechselrichter würde ich zB. auf einer Phase den produzierten Strom billig verkaufen und im ungünstigen Fall auf den anderen 2 Phasen den Strom teuer aus dem Netz zukaufen.

    Sine meine Überlegungen richtig und was ist dabei sonst noch zu beachten?

    Mit freundlichen Grüßen

    Günther Senn

  2. Sehr geehrter Herr Senn,
    es kommt jetzt darauf an ob Sie mit der Solarstromanlage in der Bilanz über das Jahr gesehen lediglich Ihren Stromverbrauch reduzieren möchten oder ob Sie möglichst viel von Ihrem erzeugten Strom auch direkt selbst verbrauchen möchten. Ein Drehstromzähler bildet bei seiner Messung grundsätzlich die Summe über alle drei Phasen. Er würde sich daher nicht drehen, wenn Sie z.B. gerade in die Phase L1 3kW einspeisen während Sie aus der Phase L2 3 kW entnehmen. Auch ein Zweirichtungszähler würde einfach nur feststellen dass 3kW bezogen werden und das zweite Zählwerk würde die 3 kW Einspeisung registrieren. Es ist daher für Ihre Energiebilanz vollkommen unerheblich ob Sie einphasig oder mehrphasig einspeisen. Anders sieht die Sache aus wenn Sie ein Backupsystem planen, wie es z.B. die Fa. SMA ( http://www.sma.de/de/produkte/backup-systeme.html ) anbietet. In diesem Fall kann die Photovoltaikanlage auch dann Strom liefern, wenn das öffentliche Netz ausgefallen ist und es wird zusätzlich ein Batteriepuffer in die Anlage eingebaut. In diesem Fall ist es natürlich wichtig, vorher genau zu überlegen ob man diese Funktion für alle drei Netzphasen benötigt oder ob man sich nur eine “Notstromphase” gönnt. Beide Lösungen sind machbar.
    Mathias Diehl

  3. @Mathias Diehl

    Ihre Antwort ist leider im entscheidenen Punkt ungenau.
    Hier in Deutschland werden bei Eigenverbrauch zwei Zähler verbaut. Einer der die Energie misst, die der Wechselrichter abgibt und ein Zweirichtungszähler der die eingespeiste und entnommene Energiemenge misst.
    Abgerechnet wird dann wie folgt die entnommene Energie wird ganz normal in Rechnung gestellt und die eingespeiste Energie ebenfalls. Die Differenz zwischen erzeugter und eingespeister Energie wird dann mit dem Eigenverbrauchsbonus vergütet.
    Um bei den 3kW aus dem Beispiel zu bleiben, stellt sich jetzt die Frage, wiewerden die 3kW erzeugter Energie vergütet.

    Bei einem einfachen 3-Phasenzähler würden sich die entnommene und die eingespeiste Energie aufheben und der Zähler bliebe stehen. Aber wie verhält sich der Zweirichtungszähler, ignoriert er die beiden Energiemengen oder zählt er 3kW sowohl als Einspeisung als auch als Verbrauch.

    Der Unterschied spiegelt sich dann nämlich in der Rechnung wieder. Im ersten Fall würde die erzeugte Energiemange als Eigenverbrauch mit dem Bonus vergütet und kein Verbrauch in Rechnung gestellt. Im anderen Fall würde die erzeugte Energie lediglich mit der Einspeisevergütung berechnet und zusätzlich würde der Verbrauch in Rechnung gestellt.

  4. Hallo,
    auch ein elektronischer Zähler wird bei einer Gleichheit von Einspeisung und Verbrauch gar nichts zählen. Es findet ja am Zähler kein Energiefluss statt. Anders sieht die Sache bei einem elektronischen Zähler aus, wenn in einer Phase ein Verbrauch stattfindet und in einer anderen Phase eine Einspeisung. Das könnte durchaus getrennt gezählt werden. Eine Frage die ich im Moment selbst nicht beantworten kann. Ich werde den Sachverhalt aber mal klären und die Antwort hier veröffentlichen.

    Gruß pvbuero

  5. Hallo,
    ich habe mal bei unseren Stadtwerken hier in Rüsselsheim nachgefragt und folgende Antwort erhalten:
    “Bei der von Ihnen geschilderte Abnahme- bzw. Einspeisesituation saldieren die Zähler welche im Netzgebiet der Stadtwerke Rüsselsheim eingesetzt werden die Energie der Einspeisemenge bzw. des Bezugs, wird z.B. mehr ins Netz der Stadtwerke eingespeist als bezogen so messen die Zähler die Differenz der beiden Mengen bzw. umgekehrt.”

    Es wird also egal in welcher Phase der Energiefluss stattfindet immer nur der Saldo gezählt.

    Gruß pvbuero

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