Wechselrichter sind zentrale Komponenten in Photovoltaik-Systemen, da sie den erzeugten Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom umwandeln. Sie ermöglichen nicht nur die Einspeisung der Solarenergie ins Stromnetz, sondern übernehmen auch Aufgaben wie das Monitoring, die Effizienzoptimierung und den Schutz der Anlage.

Abbildung 1: Schematische Darstellung

Eine Wechselrichterschaltung besteht aus mehreren grundlegenden Komponenten, die je nach Anwendung variieren können. Ausgangspunkt ist die Gleichspannungsquelle, die in Photovoltaik-Systemen beispielsweise von der Solarzellenmatrix bereitgestellt wird. In anderen Anwendungen kann die Quelle eine Batterie oder ein Gleichstromnetz sein. Zur Glättung von Spannungsschwankungen wird häufig ein Zwischenkreiskondensator eingesetzt, der eine gepufferte DC-Spannung bereitstellt. Das Herzstück der Wechselrichterschaltung sind die Leistungselektronik-Schalter, die typischerweise aus Halbleitern wie Thyristoren, MOSFETs oder IGBTs bestehen. Ein Transformator wandelt die Eingangsspannung auf die Ausgangsspannung um.

Abbildung 2 Ein Vollbrücke als Wechselrichterschaltung basierend auf Thyristoren

Das Funktionsprinzip eines Wechselrichters basiert darauf, dass der Eingangsstrom I_Input der von den angeschlossenen Photovoltaikmodulen bereitgestellt wird, als Gleichstrom nur in einer festen Richtung fließen kann. Um dennoch einen wechselnden Strom auf der Ausgangsseite zu erzeugen, müssen die Halbleiterschalter – im gezeigten Beispiel Thyristoren – so angesteuert werden, dass sie den Stromfluss gezielt umschalten. Dadurch entsteht an der Ausgangsseite ein Strom mit periodischer Richtungsänderung, der als Wechselstrom genutzt werden kann.

Ein beispielhaftes Szenario ist in Abbildung 1 dargestellt: Ein PV-Modul oder ein Modulstrang ist an einen Wechselrichter angeschlossen. In Abbildung 2 wird der Zustand des Wechselrichters zum Zeitpunkt des Anschlusses gezeigt. Am Eingang des Wechselrichters liegt eine Gleichspannung an, jedoch sind alle Halbleiterschalter (A, B, C und D) geöffnet, sodass kein Stromfluss stattfindet. In diesem Zustand würde am Ausgang des Wechselrichters theoretisch eine Wechselspannung anliegen, die jedoch 0 V beträgt, da kein Schaltvorgang erfolgt ist. Nachdem Thyristor A und Thyristor D geschlossen werden, während Thyristor B und C weiterhin geöffnet bleiben, kommt es zu einem Stromfluss, vorausgesetzt am Wechselrichter ist am Ausgang eine Last z.B. ein Netz (Hausnetz, Verteilnetz, etc.) angeschlossen.

Abbildung 3: Ergebener Stromfluss Schalter A und D sind geschlossen

Der Strom würde auf der Gleichstromseite vom Wechselrichtereingang über den Schalter A, durch den Transformator, durch den Schalter D und zurück zur Quelle fließen. Dadurch das die Primärseite des Transformators Stromdurchflossen ist, wird auf der Sekundärseite des Transformators ein Strom induziert.

Abbildung 4: Darstellung des Ausgangsstroms über die Zeit mit detaillierter Beschreibung der Schalthandlungen

In der nächsten Schalthandlung werden erst die Thyristoren A und D geöffnet, um die Thyristoren B und C zu schließen.

Abbildung 5 Ergebener Stromfluss Schalter B und C sind geschlossen

Auf der Gleichstromseite fließt der Strom vom Wechselrichtereingang über den Schalter B, durch den Transformator, weiter durch den Schalter C und zurück zur Quelle. Es ist wichtig zu beachten, dass der Stromfluss durch den Transformator im Vergleich zur Schalthandlung 1 umgekehrt verläuft, wodurch auf der AC-Seite des Wechselrichters ebenfalls ein Strom in entgegengesetzter Richtung induziert wird.

Abbildung 6: Darstellung des Ausgangsstroms über die Zeit mit detaillierter Beschreibung der Schalthandlungen

Diese Schalthandlungen werden mittels einer Pulsweitenmodulation mit hoher Geschwindigkeit im Millisekunden-Bereich ausgeführt, um die Stromfrequenz auf 50 Hz zu regeln. Durch die schnellen Schaltvorgänge nähert sich der Stromverlauf zunehmend einer sinusförmigen Kurve an.

Der Transformator passt die Eingangsspannung des Wechselrichters, an die Spannung des angeschlossenen Netzes häufig 400 V an. In kleineren Photovoltaikanlagen, wie etwa Balkonkraftwerken, liegt die Eingangsspannung oft im Bereich von 30–50 V. In solchen Fällen transformiert der Wechselrichter die Modulausgangsspannung bzw. Wechselrichtereingangsspannung auf die Hausnetzspannung von 230 V hoch. Für sehr große PV-Anlagen werden Zentralwechselrichter eingesetzt, welche die Spannung direkt auf Mittelspannung transformieren. Größere bis mittlere Anlagen nutzen in der Regel Stringwechselrichter, während kleinere Anlagen von Microwechselrichtern profitieren.

Zentralwechselrichter kommen vor allem in großflächigen Solarkraftwerken zum Einsatz. Sie bündeln den Gleichstrom aus mehreren Modulsträngen (Strings) oder Solarmodulen und wandeln ihn zentral in Wechselstrom um. Aufgrund ihrer hohen Leistungskapazität eignen sie sich ideal für Anlagen, die an Mittelspannungsnetze angeschlossen werden. Allerdings können Ausfälle dieser zentralen Komponenten große Teile der Anlage beeinträchtigen, weshalb eine sorgfältige Planung und Wartung erforderlich ist. Auch ist das MPP-Tracking nicht so effizient wie bei String- oder Microwechselrichtern, da der MPP von sehr vielen Photovoltaikmodulen gefunden werden muss.

Stringwechselrichter sind eine flexible Lösung für mittelgroße bis große Anlagen. Sie ermöglichen es, mehrere Modulstränge unabhängig voneinander zu betreiben, indem jeder String an einen separaten Eingang des Wechselrichters angeschlossen wird. Diese Struktur optimiert die Leistung einzelner Strings und sorgt dafür, dass ein Ausfall eines Strangs die Gesamtanlage nicht wesentlich beeinträchtigt. Stringwechselrichter sind eine bewährte Wahl für Gewerbeanlagen und größere private PV-Systeme.

Microwechselrichter hingegen werden direkt an einzelnen Solarmodulen angebracht und wandeln deren Gleichstrom individuell in Wechselstrom um. Dies gewährleistet eine optimale Ausnutzung jedes Moduls, selbst bei Verschattung oder Verschmutzung einzelner Module. Diese Wechselrichter sind besonders für kleine Anlagen, wie Balkonkraftwerke oder Dächer mit komplexen Schattenverhältnissen, geeignet. Sie bieten hohe Flexibilität und ermöglichen eine einfache Erweiterung der Anlage, verursachen jedoch höhere Kosten pro kWp im Vergleich zu anderen Wechselrichtertypen.

MPP-Tracking: Optimierung der Solarmodulleistung

Das Maximum Power Point (MPP) bezeichnet den Punkt, an dem ein Solarmodul seine maximale Leistung erbringt, basierend auf dem Produkt aus Strom und Spannung. Dieser Punkt wird von Faktoren wie Sonneneinstrahlung, Temperatur und den elektrischen Eigenschaften des Moduls beeinflusst. Um die maximale Leistung zu erreichen, verwenden Wechselrichter das sogenannte Maximum Power Point Tracking (MPP-Tracking). Dieser Prozess passt kontinuierlich Strom und Spannung an, um den MPP unter wechselnden Bedingungen zu finden.

Ablauf des MPP-Tracking-Prozesses

Der Wechselrichter ist für die Maximierung der Energiegewinnung aus Solarmodulen verantwortlich, indem er kontinuierlich den Punkt der maximalen Leistung (Maximum Power Point, MPP) ermittelt und anpasst. Der Prozess des MPP-Trackings erfolgt in mehreren Schritten:

1. Messung der Eingangsdaten
   Der Wechselrichter misst regelmäßig die Eingangsspannung (U) und den Eingangsstrom (I) der angeschlossenen Solarmodule. Daraus berechnet er die aktuelle Leistung P=U×I.
2. Anpassung der Betriebsspannung
   Um den optimalen Betriebspunkt zu finden, nimmt der Wechselrichter kleine Änderungen an der Betriebsspannung vor. Dies geschieht durch die Anpassung des virtuellen Lastwiderstands der Solarmodule. Die Änderung erfolgt durch die Steuerung der elektrischen Impedanz.
3. Mechanismen zur Lastanpassung
   • Halbleiterschaltungen:
     MOSFETs oder IGBTs werden eingesetzt, um den Stromfluss zwischen den Solarmodulen (DC-Seite) und dem Netz oder angeschlossenen Verbrauchern (AC-Seite) präzise zu steuern.
   • DC/DC-Wandler:
     Durch die Halbleiterschaltungen werden Spannungswandler realisiert, welche die Spannung und den Stromfluss der Solarmodule anpassen, wodurch der virtuelle Lastwiderstand verändert wird.
4. Algorithmische Steuerung
   Der Wechselrichter verwendet Algorithmen wie Perturb and Observe (P&O) oder die inkrementelle Leitwertmethode, um die optimale Betriebsspannung zu berechnen. Diese Algorithmen analysieren kontinuierlich die Leistungsauswirkungen von Spannungsänderungen:
   • Steigt die Leistung nach einer Spannungsänderung, wird die Spannung weiter in die gleiche Richtung angepasst.
   • Fällt die Leistung, wird die Richtung der Spannungsänderung umgekehrt.
5. Kontinuierliche Wiederholung
   Nach jeder Anpassung misst der Wechselrichter erneut die Eingangsspannung, den Eingangsstrom und die daraus resultierende Leistung. Der Prozess der Spannungsanpassung wiederholt sich in kurzen Abständen, um stets den MPP zu halten und die Energieausbeute zu maximieren.

Algorithmen für MPP-Tracking

1. Perturb and Observe (P&O)

Der P&O-Algorithmus arbeitet durch schrittweise Änderungen der Betriebsspannung, während die resultierende Leistungsänderung beobachtet wird.

• Funktionsweise:
  Wird eine Spannungsänderung durchgeführt und führt diese zu einer Leistungssteigerung, wird die Spannung weiter in die gleiche Richtung angepasst. Andernfalls wird die Richtung der Anpassung umgekehrt.
• Vorteile:
  • Einfache Implementierung.
• Nachteile:
  • Unter schnell wechselnden Bedingungen, wie bei Wolkendurchgängen, kann es zu Ungenauigkeiten kommen, da die Leistungsänderung nicht immer eindeutig dem MPP zugeordnet werden kann.

2. Inkrementelle Leitwertmethode

Die inkrementelle Leitwertmethode basiert auf der Analyse des Zusammenhangs zwischen Leistung und Spannung.

• Funktionsweise:
  Die Methode vergleicht die Ableitung der Leistung nach der Spannung (dP/dU) mit der negativen Leitfähigkeit (−I/U). Wenn beide Werte gleich sind, ist der MPP erreicht.
• Vorteile:
  • Präzisere Nachführung des MPP, insbesondere bei dynamischen Bedingungen wie wechselnder Sonneneinstrahlung.
• Nachteile:
  • Komplexere Implementierung aufgrund der mathematischen Anforderungen.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad eines Wechselrichters gibt an, wie effizient der Wechselrichter die Gleichstromenergie (DC) von den Solarmodulen in Wechselstromenergie (AC) umwandeln kann, die für das Stromnetz oder den Haushalt genutzt werden kann. Er wird in Prozent angegeben und berechnet sich wie folgt:

Wirkungsgrad= Eingangsleistung (DC)/Ausgangsleistung (AC) ×100%

Ein Wechselrichter mit einem Wirkungsgrad von 98 % wandelt beispielsweise 98 % der aufgenommenen DC-Energie in AC-Energie um, während 2 % in Form von Wärme oder anderen Verlusten verloren gehen. Der Wirkungsgrad eines Wechselrichters ist abhängig vom Arbeitspunkt, also der anliegenden Modulleistung.

Europäischer Wirkungsgrad

Der europäische Wirkungsgrad ist ein genormter Wert, der den Wirkungsgrad eines Wechselrichters unter typischen Wetter- und Einstrahlungsbedingungen in Europa beschreibt. Da die Sonneneinstrahlung im Laufe eines Tages variiert, berücksichtigt der europäische Wirkungsgrad, dass der Wechselrichter oft nicht mit seiner maximalen Leistung arbeitet.

Er wird berechnet, indem Wirkungsgrade bei verschiedenen Leistungsstufen gemessen und mit einem Gewichtungsfaktor, gemäß der Häufigkeitsverteilung der europäischen Bedingungen, multipliziert werden:

η_EU=0,03⋅η_5% + 0,06⋅η_10% + 0,13⋅η_20% + 0,1⋅η_30% + 0,48⋅η_50% + 0,2⋅η_100%

• η_5%​, η_10%, …, η_100% sind die gemessenen Wirkungsgrade der Wechselrichter bei 5 %, 10 %, … 100 % der Wechselrichternennleistung.
• Die Gewichtungsfaktoren spiegeln wider, wie oft ein Wechselrichter typischerweise in Europa mit diesen Leistungsstufen arbeitet.

Dieser Wert ermöglicht einen realistischen Vergleich von Wechselrichtern für europäische Bedingungen. Analog zu den definierten europäischen Wechselrichterwirkungsgrad gibt es auch Wirkungsgrade in anderen Klimazonen (kalifornischer Wirkungsgrad, … etc.). Der in den technischen Datenblättern angegebene Wirkungsgrad ist somit der maximale Wirkungsgrad des Wechselrichters, also der Wirkungsgrad, an dem der Wechselrichter idealerweise, arbeitet. Dieser Arbeitspunkt wird allerdings im Betrieb nur selten erreicht.