Wechselrichter

In einer Photovoltaik-Anlage (PVA) befindet sich der Wechselrichter an der Schnittstelle zwischen den PV-Modulen und einem Stromnetz. Seine Haupt-Aufgabe ist die Konvertierung des, in den PV-Modulen erzeugten Gleichstroms (DC) in Wechselstrom (AC). Diese Konvertierung ist notwendig, da alle regulären Stromnetze, sowie die daran angeschlossenen Verbraucher, mit Wechselstrom betrieben werden. Der Wechselrichter nimmt somit eine unverzichtbare Funktion im netzgebundenen PV-System ein.

Wechselrichter-Typen

Ein großer Vorteil der PV ist die enorme Flexibilität und Skalierbarkeit der Anlagengröße. Sie reicht von transportablen Mikro-Anlagen im Bereich von einigen hundert Watt bis hin zu PV-Kraftwerken im Multi-Megawatt-Maßstab. Um dieses große Spektrum von PV-Anlagen abzubilden, wurden Wechselrichter in unterschiedlichen Leistungsklassen entwickelt:

• Modul-Wechselrichter für einzelne PV-Module
• Strang-Wechselrichter für den Privatkunden-Bereich
• Strang-Wechselrichter im gewerblichen Bereich
• Zentralwechselrichter im Bereich von PV-Kraftwerken

Durch die Weiterentwicklung der Leistungskomponenten verschwimmen die Übergänge zwischen den Leistungsklassen dabei immer häufiger. So werden auch in PV-Kraftwerken zunehmend große Strangwechselrichter eingesetzt, die dabei die Zentralwechselrichter verdrängen.

Aufgaben eines Wechselrichters

Neben der Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom kann der PV-Wechselrichter weitere wichtige Aufgaben übernehmen. Dazu zählen in vielen Fällen:

• Steuerung der PV-Module durch „Maximum Power Point Tracking“ (MPPT)
• Erfassung relevanter Anlagendaten (Spannung, Strom, Leistung)
• Aktive Maßnahmen zur Netz-Stabilisierung und -Verbesserung

Maximum Power Point Tracking

Die Leistungsabgabe von PV-Modulen hängt zu einem großen Teil von externen Faktoren ab. Dazu zählen vor allem die Einstrahlungsstärke und die Temperatur. Um die PV-Module stets im best-möglichen Arbeitspunkt (MPP), zu betreiben verfügt ein PV-Wechselrichter über einen oder mehrere „Tracking-“ Einheiten, häufig als „MPP-Tracker“ bezeichnet. Diese MPP-Tracker suchen unter den gegebenen Rahmenbedingungen nach dem ertragreichsten Kompromiss aus Spannung und Strom für die gesteuerten Module.

Anlagendaten

Durch die übergeordnete Position des Wechselrichters in der Anlagentopologie bietet sich ein Abgriff der wichtigsten Anlagendaten an dieser Stelle an. Dafür sammeln moderne Wechselrichter im Sekundentakt Informationen. Unter anderem über die Leistung der PV-Anlage, Strom und Spannung der gesteuerten Module sowie über das Stromnetz, an das der Wechselrichter angeschlossen ist.

Diese Informationen können dann von übergeordneten SCADA-Systemen (Supervisory Control and Data Acquisition, System zur Überwachung und Steuerung von technischen Prozessen) weiterverarbeitet werden. Die zusammengestellten Informationen ermöglichen die Live-Überwachung der PV-Anlage bis auf Strang-Ebene und damit eine gute Möglichkeit zur Fehlererkennung und deren Behebung.

Netz-Stabilisierung und -Verbesserung

Während die Wechselrichter auf Seite der Photovoltaik durch den MPP-Tracker die Möglichkeit haben Einfluss auf Strom und Spannung der angeschlossenen PV-Stränge zu nehmen, sind sie auf der Netzseite an die Rahmenbedingungen des Stromnetzes gebunden. Zu diesen Rahmenbedingungen gehören die folgenden Parameter:

• Netzfrequenz
• Netzspannung
• Blindleistung

Die Netzfrequenz, in der der Wechselstrom schwingt, beträgt in Europa 50 Hertz, 50 Schwingungen pro Sekunde. Die Netzfrequenz ist ein elementarer Wert im Stromnetz, an dem sich die Ausgewogenheit zwischen Stromproduktion und Strombedarf ablesen lässt. Sie wird permanent durch den Wechselrichter überwacht, um bei Abweichungen die Anlagenleistung nach vorgegebenen Regeln anzupassen.

Auch die Spannung im lokalen Stromnetz wird überwacht und durch die Einspeisung von Blindleistung angepasst. Statt eines festen Blindleistungsanteils wird in aktuellen Wechselrichtern die sogenannte Q(U)-Regel angewandt. Diese bestimmt den Anteil der eingespeisten Blindleistung in Abhängigkeit von der vorgefundenen Spannung.

Mit den beschriebenen Mechanismen unterstützen Photovoltaik-Anlagen das Stromnetz global (Frequenz) und verbessern darüber hinaus die lokale Netzqualität (Spannung).

Wissenswertes

Seit der Implementierung von effizienten und leistungsfähigen Elektronikbauteilen in moderne PV-Wechselrichter und dem damit verbundenen Verzicht auf klassische Transformatoren, nimmt die Leistungsdichte der zur Verfügung stehenden Geräte immer weiter zu. Stand 2021 stehen Strangwechselrichter mit bis zu 250 kVA AC-Leistung, bei einem Gewicht von unter 100 kg und einem Volumen von etwa 250 Litern, zur Verfügung. Diese hohe Leistungsdichte vereinfacht Transport und Montage und ermöglicht damit den Einsatz in variablen Anwendungsszenarien.

Die hohe Effizienz der Leistungselektronik führt gleichzeitig indirekt zu einer deutlich verminderten Geräuschbelästigung durch die Kühlung der Wechselrichter. Bis zu einer Leistung von 66 kVA können bereits Geräte mit ausschließlich passiver Kühlung eingesetzt werden.