Hier das Was und Wozu zum Wechselrichter für Solaranlagen

Ein Wechselrichter dient dazu, Gleichspannung in Wechselspannung umzuwandeln. In der Regel basieren Wechselrichter auf einem Polwechsler, der die Pole der Gleichspannung, die eingespeist wird, im Takt der benötigten Wechselspannung wechselseitig mit den Ausgängen verbindet. Der Minuspol der Gleichspannungsquelle wird mittels einer ersten Halbwelle mit dem ersten Ausgang verbunden und mittels einer zweiten Halbwelle mit dem zweiten Ausgang. Der Pluspol der Gleichspannungsquelle ist über die erste Halbwelle mit dem zweiten Ausgang und mittels der zweiten mit dem ersten Ausgang verbunden. Grundsätzlich funktioniert jeder Wechselrichter auf diese Art, es werden jedoch ganz unterschiedliche Techniken eingesetzt, um diese Funktionsweise zu verwirklichen. Ein sehr einfacher Wechselrichter arbeitet mit einem Wechselschalter, der entweder mechanisch oder über eine elektrische Steuerspannung angetrieben werden kann. Allerdings sind mechanische Schalter störanfällig, so dass sie heutzutage meist durch Thyristoren ersetzt werden. Die Thyristoren eines Wechselrichters werden über einen Multivibrator gesteuert, an zwei Gates wird im Wechsel jeweils ein positiver Spannungsimpuls erzeugt. Ein Kondensator löscht den einen gerade durchgeschalteten Thyristor mittels eines negativen Spannungsimpulses an der Anode des Thyristors beziehungsweise der Kathode der parallel verlaufenden Diode in dem Moment, wenn der andere durchschaltet. Während die Diode als Leiter fungiert, wird der Strom durch den Thyristor kurz unterbrochen, erst ein positiver Impuls am Gate sorgt dafür, dass der eine Thyristor des Wechselrichters wieder leitet, wodurch dann der andere Thyristor gelöscht wird. Die Effizienz erhöhen Schaltungen mit Transistoren. Ein Wechselrichter mit Transistoren ist der H-Brückenwechselrichter, der zum Beispiel in der Hochspannungsgleichstromübertragungstechnik (HGÜ-Technik) eingesetzt wird. Eine andere Art Wechselrichter ist der Colpitswechselrichter, der aus einem Colpitsoszillator besteht, der von selbst eine sinusförmige Wechselspannung liefert. Ein Polwechsler ist bei diesem Wechselrichter nicht notwendig, gleiches gilt für andere Oszillatorschaltungen wie Meißner- oder Hartleyoszillatoren. Die Leistung der Ausgangsspannung ist bei diesen Wechselrichtern in der Regel sehr gering, weshalb sie vor allem in Funktionsgeneratoren, elektronischen Musikinstrumenten oder anderen Geräten eingesetzt werden, bei denen Wechselspannungen für den Tonfrequenzbereich erzeugt werden. Dahingegen ist bei beim H Brückenwechselrichter über die Einschaltzeiten der Transistoren und beim Thyristorwechselrichter über die Thyristoren jede beliebige Ausgangswechselspannung einstellbar.1

Wechselrichter für erneuerbare Energien

Solaranlagen erzeugen über die Technik der Photovoltaik Gleichstrom. Dieser muss über einen Wechselrichter für die Einspeisung in Verteilernetze in Wechselstrom umgewandelt werden. Die meisten Solaranlagen heutzutage basieren auf kristallinen Silizium-Solarzellen. Mittels einer Reihenschaltung werden die Solarzellen zu Modulen zusammengefügt. Durch Photovoltaik erzeugte Energie muss so umgewandelt werden, dass möglichst nur Wirkleistung ins Stromnetz eingespeist wird. Deshalb ist eine Energieumformung durch Schalten praktikabel, denn ein idealer Schalter hat im geschlossenen Zustand einen Widerstand von null. So verursacht der Wechselrichter in der Photovoltaik keinen Spannungsabfall und infolgedessen auch keinen Leistungsumsatz. Auch im geöffneten Zustand tritt am Schalter keine Verlustleistung auf, da sich der Widerstand unendlich zeigt, so dass kein Strom fließt.2 Durch den Einsatz von intelligenten Ortsnetzstationen und neuen Wechselrichtern bei Solaranlagen soll eine verbesserte Auslastung der bestehenden Infrastruktur des Verteilnetzes erreicht werden. Durch den Einsatz moderner technischer Komponenten könnten 20 bis 25 Prozent mehr elektrische Energie durch die Verteilernetze gesendet werden. Regelbare, blindleistungsfähige Wechselrichter stehen dabei im Fokus.3 Wechselrichter sind aber nicht nur für die Photovoltaik unabdingbar, auch bei den meisten Windkraftanlagen bilden Wechselrichter die Schnittstelle zum Stromnetz.4

Anforderungen an Photovoltaik-Wechselrichter

Die Photovoltaik hat sich in den vergangenen Jahren zum wichtigsten Markt für Wechselrichter entwickelt. Um die Effektivität zu steigern, wurde die Wechselrichtertechnik für Solaranlagen beständig weiterentwickelt. Photovoltaik-Wechselrichter müssen bestimmten Anforderungen genügen. Abhängig von der Größe von Solaranlagen stehen verschiedene Typen an Wechselrichtern zur Auswahl. Modulwechselrichter können für einzelne Solarmodule verwendet werden, Stringwechselrichter sind für eine Leistung von 2,5 bis 11 Kilowatt ausgelegt und Zentralwechselrichter können für riesige PV-Anlagen mit einer Leistung von 100 bis 1200 Kilowatt genutzt werden. Teils speisen Wechselrichter die mittels Photovoltaik gewonnene Energie mit einer Spannung von 20000 Volt direkt in das Mittelspannungsnetz ein. Da Solarmodule bei Lichteinfall grundsätzlich unter Spannung stehen, müssen Photovoltaik-Wechselrichter mit einer DC-Trennvorrichtung ausgestattet sein. Auch unter Last kann ein solcher Trennschalter den Wechselrichter von den Solarmodulen abkoppeln. Weiterhin muss bei Wechselrichtern für Solaranlagen die sogenannte Strom-Spannungs-Kennlinie Beachtung finden. Diese ist von dem Solarzellentyp, der Einstrahlungsstärke und der Zellentemperatur abhängig. Dadurch entstehen Nichtlinearitäten, die eine ständige Leistungsanpassung erforderlich machen. Die Strom-Spannungs-Kennlinie besitzt einen Höchstwert, den Maximum Power Point (MPP), an dem ein Solarmodul die höchste Leistung liefert. Durch die gezielte Änderung seines Innenwiderstands hält ein Photovoltaik-Wechselrichter die Solarmodule stets im MPP. Dieses Verfahren wird als MPP-Tracking bezeichnet. Entscheidend bei Wechselrichtern für Solaranlagen ist zudem der Umwandlungswirkungsgrad, denn der durch Photovoltaik erzeugte Gleichstrom soll möglichst vollständig in Wechselstrom umgewandelt werden. Deshalb muss die Brückenschaltung eines Photovoltaik-Wechselrichters optimal getaktet und die einzelnen Komponenten bestens aufeinander abgestimmt sein. So kann ein Wirkungsgrad von bis zu 98 Prozent erreicht werden. Doch auch bei einem so hohen Wirkungsgrad fällt noch Abwärme an, deshalb spielt auch Temperaturmanagement bei Wechselrichtern für Solaranlagen eine entscheidende Rolle. Des Weiteren ist ein wetterfestes Gehäuse für die meisten Photovoltaik-Wechselrichter nötig, so dass eine Außenmontage an beliebigen Orten möglich ist, zum Beispiel auf großen Freifeldanlagen und auf Häuserdächern. Wechselrichter dienen außerdem der Netzüberwachung. Wie die Überwachung des Versorgungsnetzes gewährleistet wird, ist in der VDE-Norm 126.1.1 festgehalten. Darüber hinaus können Wechselrichter auch dazu genutzt werden, Solaranlagen zu überwachen, dafür muss der Photovoltaik-Wechselrichter über mindestens eine Kommunikationsschnittstelle verfügen.5

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