Boosterlose Wechselrichter - die Falle?

Die Hersteller von Photovoltaik-Komponenten stehen in hartem Wettbewerb. Sie investieren enorm in Forschung und Entwicklung, um das nächste Modell von Solarmodulen oder Wechselrichtern mit besserem Wirkungsgrad und optimierten Kosten herauszubringen. Jedes gewonnene Zehntelprozent ist ein neuer Erfolg! Wie schade ist es jedoch, auf Solaranlagen zu stoßen, die aus den besten Komponenten bestehen, aber niemals die erwartete Leistung erreichen, nur wegen eines einfachen Dimensionierungsfehlers.

Ich beobachte regelmäßig einen Fall, bei dem die Länge der Modulstränge nicht mit der Verwendung von hoch effizienten boosterlosen Wechselrichtern abgestimmt ist.

Was ist ein boosterloser Wechselrichter?

Funktional betrachtet ist ein Wechselrichter ein Gerät, das Gleichstrom in Wechselstrom, in der Regel Dreiphasenstrom, umwandelt. In Wirklichkeit verfügt ein Solarwechselrichter in vielen Fällen über eine Eingangstufe namens Booster, die es ermöglicht, die Gleichspannung am Eingang zu erhöhen, bevor sie von der eigentlichen Wechselrichterstufe in Wechselstrom umgewandelt wird. Ein Booster ist in gewisser Weise ein Transformator, der eine Gleichspannung auf ein höheres Spannungsniveau umwandelt. Dank des Boosters kann ein Wechselrichter mit einem sehr breiten Eingangsspannungsbereich arbeiten, zum Beispiel 250 - 800 V. Der Nachteil sind jedoch die Effizienzverluste, die durch den Booster entstehen, sowie die Auswirkungen auf die Komplexität und damit den Preis des Wechselrichters. Ein boosterloser Wechselrichter ermöglicht in der Regel einen besseren Wirkungsgrad bei geringeren Kosten, allerdings auf Kosten einer reduzierten Dimensionierungsflexibilität.

Kein Problem, man muss nur das Datenblatt lesen und die angegebene minimale Eingangsspannung beachten!

Tatsächlich wird die minimale Eingangsspannung immer im Datenblatt eines Wechselrichters angegeben. Die Falle liegt jedoch in den Fußnoten und der Realität vor Ort, die sich manchmal erheblich von den theoretischen Werten unterscheidet. Die minimale Eingangsspannung eines boosterlosen Wechselrichters wird in der Regel für die Nennnetzspannung (z. B. 230 V) angegeben. Und die Nennspannung eines Solarmoduls wird bei einer Zelltemperatur von 25 °C angegeben. Die tatsächlichen Bedingungen können jedoch ganz anders sein.

Welche Rolle spielt die Netzspannung?

Um zu verstehen, wie die Netzspannung die minimale Eingangsspannung eines Wechselrichters beeinflusst, betrachten wir die Funktionsweise eines Wechselrichters. Ein Photovoltaik-Wechselrichter für Wohn- oder Industrieanlagen arbeitet auf der Grundlage einer in der Regel dreiphasigen Ausgangsspannung mit einer RMS-Spannung von $230\,\text{V}$. Dies entspricht einer Spitzenspannung von $230 \times \sqrt{2} = 325\,\text{V}$. Die Nennspannung des Netzes kann für große Anlagen mit dedizierten Transformatoren unterschiedlich sein, wir werden jedoch nicht auf diese Art von Anlagen eingehen.

Dreiphasensystem bei 50 Hz mit einer Nennspannung von 230 V.

Betrachten wir nun die obere und untere Einhüllende unseres Dreiphasensystems. Diese Einhüllende entspricht den Spannungspegeln, die der Wechselrichter aus der Gleichspannung erzeugen können muss.

Obere und untere Einhüllende für ein dreiphasiges sinusförmiges System.

Ein boosterloser Wechselrichter kann jedoch nur eine Wechselspannung erzeugen, deren Differenz zwischen der oberen und unteren Einhüllenden zu jedem Zeitpunkt kleiner ist als die Gleich-Eingangsspannung. Die dreiphasige Wechselspannung wird in gewisser Weise aus der Gleichspannung "geschnitten", als ob wir die Einhüllende der sinusförmigen Spannungen aus einem Papierstreifen ausschneiden würden. Die theoretische minimale Gleichspannung beträgt daher:

$$V_{DC,\text{min}} = 230 \times \sqrt{2} \times 2 \times \sin\left(2\pi / 3\right) = 563\,\text{V}$$

Differenz zwischen unterer und oberer Einhüllender, Hervorhebung einer minimalen Gleichspannung von 580 V.

In der Praxis ist eine leicht höhere Gleichspannung erforderlich. Daher ist es nicht ungewöhnlich, dass in den Datenblättern eine minimale Eingangsspannung von 580 V für eine Nennnetzspannung von 230 V angegeben wird.

Die sommerliche Realität

Nun, da wir den Zusammenhang zwischen Netzspannung und Gleich-Eingangsspannung verstehen, können wir uns mit der Dimensionierung befassen, die für einen optimalen Betrieb eines boosterlosen Wechselrichters erforderlich ist. Betrachten wir dazu die ungünstigste Situation: einen Sommertag. Zwei Phänomene haben dann einen entscheidenden Einfluss, die berücksichtigt werden müssen.

1. Erhöhung der Netzspannung: An einem Sommertag ist es nicht ungewöhnlich, dass eine hohe Photovoltaik-Stromerzeugung zu einer lokalen Erhöhung der Netzspannung führt. Eine Spannung von über 240 V ist dann durchaus möglich.
2. Verringerung der Spannung der Solarmodule: An demselben Sommertag kann die Temperatur der Solarmodule leicht auf 60-70 °C steigen. Die Nennspannung der Solarmodule kann dadurch aufgrund des Zusammenhangs zwischen Temperatur und Spannung der Solarmodule um etwa 15 % sinken.

Es ist nicht ungewöhnlich, dass boosterlose Wechselrichter im Sommer aufgrund der Netzspannung eine Eingangsspannung von über 600 V erfordern, obwohl im Datenblatt eine minimale Spannung von 580 V angegeben ist.

Eine Nennspannung der Modulstränge von 660 V kann auf den ersten Blick ausreichend erscheinen, wenn die minimale Eingangsspannung des Wechselrichters 580 V beträgt. Im Sommer kann die MPP-Spannung eines solchen Systems jedoch aufgrund der kombinierten Wirkung des Temperaturanstiegs der Module sowie der Netzspannung schnell unter die tatsächliche minimale Eingangsspannung des Wechselrichters fallen. Diese Situation kann zu erheblichen Verlusten führen, wie das folgende reale Beispiel zeigt. Dieses Beispiel zeigt einen richtig dimensionierten Wechselrichter (Wechselrichter 1) im Vergleich zu einem boosterlosen Wechselrichter, dessen Eingangsspannung nicht ausreichend auf die Länge der Modulstränge abgestimmt ist (Wechselrichter 2).

Sommerliche Verluste durch unangemessene Dimensionierung einer Photovoltaikanlage mit einem boosterlosen Wechselrichter.

Ideale Dimensionierung

Um unnötige Energieverluste zu vermeiden, ist es entscheidend, den Zusammenhang zwischen Modultemperatur, Netzspannung und dem Verhalten des gewählten Wechselrichters zu verstehen. Eine Photovoltaikanlage sollte so dimensioniert sein, dass die MPP-Spannung der Modulstränge zu jedem Zeitpunkt über der minimalen Eingangsspannung des Wechselrichters liegt. Dabei ist es wichtig, die maximale Modultemperatur, die maximale Netzspannung und eine Marge zu berücksichtigen, die andere Faktoren abdeckt, die ebenfalls die MPP-Eingangsspannung des Wechselrichters beeinflussen können (Gleichstromkabelverluste, langfristige Degradationsphänomene der Module, Mismatch, lokale Verschattung usw.).

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