Optimieren auf hohem Niveau

Auf den ersten Blick ist die Typenvielfalt des Wechselrichtermarktes für den zukünftigen Betreiber einer Solaranlage nur schwer zu durchdringen. Für die Auswahl der Geräte sind nicht nur der projektierte Leistungsbereich der Photovoltaikmodule und die Anforderungen des Netzbetreibers maßgebend. Das Streben nach einem möglichst hohen Einspeiseertrag führte im Wettbewerb zu einer Angebotspalette, die den unterschiedlichsten Einsatzbedingungen gerecht wird.

Wechselrichter haben die Aufgabe, den von den Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in einphasigen Wechselstrom oder dreiphasigen Netzstrom umzuwandeln, um ihn möglichstverlustfrei und angepasst in Frequenz und Spannung in das Stromnetz einzuspeisen. Abhängig von der jeweiligen Sonneneinstrahlung und den Temperaturen müssen sie die Module in ihrem optimalen Kennlinienbereich betreiben. Dazu sind sie mit einem sogenannten MPP-Tracker (Maximum Power Point Tracker) ausgestattet, der den optimalen Arbeitspunkt sucht. Der Wechselrichter bestimmt dabei mit seinem Wirkungsgrad wesentlich den maximal möglichen Ertrag einer Anlage. Seit 1990 gab es dabei eine rasante Entwicklung. Leistungsfähigere Halbleiterbauelemente und effizientere Topologien führten zu Spitzenwirkungsgraden von mehr als 98 Prozent. Doch ein Spitzenwirkungsgrad ist längst kein Garant für einen Spitzenertrag. In der Praxis zählt der Umwandlungsgrad über alle Betriebsbedingungen, vor allem auch im Teillastbetrieb. Auch die Suchstrategien für das MPP-Tracking unterscheiden sich, so dass die Erträge auch bei einem sonst gleichen Wirkungsgrad verschieden sind (siehe photovoltaik 08/2008). Betriebswirtschaftlich relevant ist der Jahresertrag, und dafür ist neben der optimalen Steuerung auch der durch den Wechselrichter bestimmte Verfügbarkeitsanteil der Photovoltaikanlage maßgeblich. Inzwischen bieten etwa 40 Firmen ungefähr 400 Geräte in Leistungsklassen von 0,5 Kilowatt bis rund zwei Megawatt an. Wie die Marktübersicht ab Seite 66 zeigt, bieten manche nur bestimmte Segmente an, nur zehn Hersteller decken das ganze Leistungsspektrum vom Einfamilienhaus bis hin zum Solarpark ab. Dazu gehört beispielsweise der nordhessische Wechselrichterhersteller SMA. Er produzierte im Vorjahr Geräte mit einem Leistungsumfang von insgesamt 2,2 Gigawatt. Damit konnte er nach eigenen Angaben seine Position als Marktführer ausbauen. „Wir werden, wie in der Vergangenheit auch, pro Jahr sechs innovative Produkte mit zahlreichen Features auf den Markt bringen“, sagt Pressechef Volker Wasgindt. Verkaufsschlager im Jahr 2008 waren die Sunny Boys. Die Innovation bestehe darin, dass die Geräte nun eine drahtlose Anlagenkommunikation mittels Bluetooth ermöglichen. Dadurch entfalle das aufwändige Kabelnetz für Steuerung und Kommunikation. Zu den Komplettanbietern gehört auch Kaco mit seiner Powador-Linie. Das Unternehmen aus Neckarsulm hat seinen Umsatz 2008 im Vergleich zu 2007 mehr als verdoppelt und verkaufte eine Wechselrichterleistung von 480 Megawatt. Zu den Neuentwicklungen gehört der vollständig prozessorgesteuerte Zentralwechselrichter Powador XP 100-HV. Das ist ein 100-Kilowatt-Trafogerät, bei dem neben dem MPP-Tracking auch die Taktung der Leistungstransistoren prozessorgesteuert erfolgt. Mit der damit verbundenen Optimierung der DC/AC-Wandlung verspricht Kaco einen maximalen Wirkungsrad von 97,1 Prozent. Aktuell liege der technologische Schwerpunkt bei der Entwicklung dreiphasiger Wechselrichter mit einer Nennleistung von zehn bis 15 Kilowatt.

Groß und effizient

Je nach Schaltungsart und Leistungsbereich gliedert sich der Markt in unterschiedliche Segmente. Solarmodule können mit Zentral-, String- oder Modulwechselrichtern auf der Gleich- oder Wechselspannungsseite kombiniert werden. In der zentralen Architektur werden die einzelnen Solarmodule der PV-Anlage zu Strängen (Strings) in Reihe geschaltet, bevor diese dann parallel mit einem zentralen Wechselrichter verbunden werden. Diese Schaltungsvariante ist vor allem für Anlagen mit Leistungen über zehn Kilowatt und bei homogener Bestrahlung der Module geeignet. Vorteilhaft ist der hohe Wirkungsgrad der DC/AC-Wandlung bei geringen spezifischen Kosten.Nachteilig wirkt sich die verminderte Leistung bei inhomogener Bestrahlung aus. Dann liegen die Arbeitspunkte für die Photovoltaikmodule, die nicht die gleiche Einstrahlung abbekommen, in verschiedenen Kennlinienbereichen, was der Zentralwechselrichter nicht berücksichtigen kann. Weitere Nachteile sind, dass die DC-Verkabelung aufwändig ist und dass die Anlage bei Ausfall des einen Wechselrichters komplett ausfällt.Neue Geräte bei den Zentralwechselrichtern brachte unter anderem SMA auf den Markt. Das Unternehmen erweiterte seine Baureihe Sunny Mini Central von fünf bis elf Kilowatt. Die größte Variante Sunny-Central bietet Geräte für den Leistungsbereich von 100 Kilowatt bis zu einem Megawatt. Deren Spitzenwirkungsgrade liegen jetzt bei 98 Prozent.Werden jedem String einzelne Wechselrichter zugeordnet, entsteht eine sogenannte String-Architektur. Wenn Module mit gleichen Einstrahlbedingungen einen String bilden, kann jeder leichter im MPP-Bereich der Photovoltaikmodule betrieben werden. Mit dieser Architektur lassen sich Fehlanpassungen und Verluste durch Verschattung von Einzelmodulen sowie der Aufwand für die DC-Verkabelung begrenzen. Da bei Ausfall einzelner Wechselrichter die anderen Stränge weiterhin ins Netz einspeisen können, steigt gleichzeitig die Gesamtanlagenverfügbarkeit. Die hohe Flexibilität dieser Schaltung hat zu einer weiten Verbreitung in Anlagen im mittleren Leistungsbereich geführt. Anfang des Jahres brachte zum Beispiel das Schweizer Unternehmen Sputnik in diesem Segment die neue Stringwechselserie Solarmax-S mit einem Leistungsbereich von 1,8 bis 4,6 Kilowatt auf den Markt. Die neuen Geräte sollen 15 Prozent weniger kosten als ihre Vorgänger und einen Wirkungsgrad von 97 Prozent erreichen, schlanker sein und verbesserte Gebrauchseigenschaften haben.

Mischformen sinnvoll

Die vorgenannten Grundarchitekturen wurden zu Mischformen weiterentwickelt, um die Vorteile der einzelnen Strukturen zu vereinen. Zur besseren Anpassung an die Lichtverhältnisse wurde das Zentralwechselrichter-Konzept mit der sogenannten Master-Slave-Schaltung weiterentwickelt. Statt eines einzelnen Zentralwechselrichters kommen hierbei mehrere parallel geschaltete Wechselrichter zum Einsatz, die im Volllastbetrieb aktiviert, im Teillastbetrieb jedoch einzeln abschaltbar sind. Durch eine gleichmäßige Verteilung der Gesamtbelastung auf mehrere Wechselrichter wird zudem die Anlagenverfügbarkeit erhöht.Die sogenannte Multi-String-Schaltung vereint dagegen die Vorteile der Zentral- und Stringarchitektur in Hinsicht auf inhomogene Einstrahlungen. Diese besondere und kostengünstige Variante wird durch den Betrieb der Einzelstränge im jeweiligen MPP an eigenen Gleichspannungswandlern (DC/DC-Wandler) erreicht, deren einheitliche Ausgangsspannungen mit einem gemeinsamen DC/AC-Wandler ins Netz gespeist werden. Die aufwändige Leistungselektronik wird nur einmal benötigt. Mit der Multi-String-Schaltung lassen sich auch Modulstränge mit unterschiedlicher Ausrichtung und Lichteinfällen in ihrem jeweils optimalen Leistungsbereich betreiben.Das Team-Konzept kombiniert dagegen den Nutzen der String-Wechselrichterschaltung mit dem der Master-Slave-Schaltung. Bei hoher Leistung der PV-Stränge arbeitet die Anlage wie in der String-Schaltung. Sinkt hingegen das Leistungsangebot der Generatoren, können einzelne Wechselrichter abgeschaltet werden. Ihre zugehörigenPV-Stränge werden auf benachbarte Wechselrichter aufgeschaltet, um diese im optimalen Arbeitsbereich betreiben zu können. Neben einem näherungsweise lastunabhängigen Gesamtwirkungsgrad ist mit dieser Schaltung eine Verfügbarkeitserhöhung verbunden, da auch Ausfälle von einzelnen Wechselrichtern kompensiert werden können. Die kompakte Umhausung mehrerer Wechselrichter in einem Gehäuse stellt weniger eine schaltungstechnische, vielmehr aber eine logistische Optimierung dar. Ein solches Kompaktgerät, den PAC Tower, brachte zum Beispiel die auf dem Wechselrichtermarkt noch junge Oelmaier Technology auf den Markt. Es ist mit fünf bis acht einzelnen Strangwechselrichtern mit eigenem MPP-Tracking bestückt und arbeitet im Leistungsbereich von 20 bis 46 Kilowatt.

Innenleben entscheidend

Der Wirkungsgrad der Wechselrichter wird wesentlich durch ihr Innenleben, das heißt durch das technologische Prinzip und die Wahl der leistungselektronischen Bauelemente beeinflusst. Als aktive Elemente der DC/AC-Wandlung werden gegenwärtig im mittleren bis höheren Leistungsbereich vor allem Transistoren (Insulated Gate Bipolar Transistors, IGBT) in einer Brückenschaltung eingesetzt, bei einphasiger Einspeisung mit vier, bei dreiphasiger Einspeisung mit sechs Leistungshalbleitern. Verluste treten zum einen dadurch auf, dass die Bauteile auch im geöffneten Zustand noch einen Widerstand haben, zum anderen dadurch, dass sie auch im geschlossenen Zustand nicht wirklich 100-prozentig schließen und sogenannte parasitäre Ströme fließen.Um eine weitere Wirkungsgradsteigerung zu erreichen, wurden deshalb Schaltungskonzepte entwickelt, die parasitäre Rückströme unterbinden. Die Firma SMA hat dazu etwa ein weiteres leistungselektronisches Schaltelement eingesetzt und die so entstandene H5-Topologie patentieren lassen. Ihr mit dieser Technologie ausgestatteter Wechselrichter Sunny Mini Central brilliert laut Herstellerangabe unter anderem deshalb mit dem Spitzenwirkungsgrad von über 98 Prozent. Aber auch Weiterentwicklungen der Leistungshalbleiter haben zu Wirkungsgradverbesserungen beigetragen. So gelang es Kaco mit neuartigen IGBTs, die sich durch geringere Durchlassverluste auszeichnen, bei den Geräten der 00xi-Serie den Wirkungsgrad um 1,5 Prozent auf einen Maximalwert von 97,4 Prozent zu erhöhen.In kleinen Leistungsbereichen behaupten sich MOSFETs mit hohen Schaltfrequenzen und geringem Beschaltungsaufwand. Als technologische Spitzenreiter gelten gegenwärtig Wechselrichter-Prototypen mit Siliziumkarbid-MOSFETs. Die Bauteile haben eine höhere Schaltgeschwindigkeit und geringere Durchlassverluste (siehe Artikel Seite 62). Die Entwicklung tendiert zu trafolosen Geräten. Grund ist eine Wirkungsgraderhöhung durch Vermeidung der Trafoverluste. Es gibt aber Anwendungsgebiete, in denen Trafos zur Potenzialtrennung gefordert werden. Das erleichtert zum Beispiel die Verschaltung mancher Dünnschichtmodule, um Korrosion zu vermeiden (siehe photovoltaik 06/2008).

Preise im Sinkflug

Auch bei den Preisen tut sich was. Marketingleiter Andreas Schlumberger von Kaco new energy zum preislichen Abwärtstrend in der Wechselrichterbranche: „2007 waren es im Vergleich zum Vorjahr sechs Prozent. In diesem Jahr könnten es zehn Prozent im Vergleich zu 2008 sein.“In den nächsten Jahren wird es aber auch noch mehr technologische Veränderungen geben müssen. Denn mit den erheblichen Steigerungsraten der installierten Leistung von PV-Anlagen, die ins Netz einspeisen, müssen diese zunehmend auch in die Netzstabilisierung einbezogen werden (siehe Artikel Seite 56). Das fordert auch die überarbeitete Mittelspannungs-Richtlinie (siehe photovoltaik 01/2009). Daraus ergeben sich neue Herausforderungen an die Entwickler von Wechselrichtern, wie das Bereitstellen von Blindleistung, einer einspeisebezogenen Anlagensteuerung und zusätzlicher Schutzeinrichtungen. www.photovoltaik.eu