Anlagenfehler schnell erkennen – Teil 3

In diesem Artikel stelle ich das Derating von Wechselrichtern vor – so, wie es sich in den Monitoringdaten darstellt – und erkläre, warum das Derating zu einem vom Idealbetrieb abweichenden Kurvenverlauf führt. In den beiden vorhergehenden Artikeln zum Anlagenmonitoring (siehe pv magazine Juni 2015, S. 100 – 102, und September 2015, S. 62 – 63) hatte ich erläutert, dass sich Fehler – in diesem Fall eher: Besonderheiten des Betriebs – besonders gut anhand der Monitoringdaten durchgängig sonniger Tage erkennen lassen. Dazu kommt, dass das Derating in der Regel nur an sonnigen Tagen zu erwarten ist, insbesondere an kühlen sonnigen Tagen, weil dann die maximale Modul-Nennleistung erreicht oder sogar überschritten wird.

Dazu greife ich zunächst auf die Monitoringdaten eines Wechselrichters zurück, der mit zwei unabhängig voneinander arbeitenden MPP-Reglern ausgestattet ist. Dies ermöglicht eine unterschiedliche Stringbelegung. In der betrachteten Photovoltaikanlage wurde diese wie folgt realisiert: Jeweils drei Strings sind an einen Wechselrichter angeschlossen. Zwei Strings mit je 23 Modulen sind an den einen MPP-Tracker angeschlossen, der dritte String mit nur 22 Modulen an den zweiten MPP-Tracker. Die Kurvenverläufe in den Abbildungen 1 und 2 sind nicht normiert, um bewusst die Unterschiede der Ströme (ein und zwei Strings parallel) und der Spannungen (22 und 23 Module pro String) darzustellen.

Glockenkurve und Badewannenkurve

Bei der Glockenkurve steigt der Stringstrom synchron mit der Einstrahlung bis zum mittäglichen Maximum und sinkt danach wieder ab (siehe Abbildung 1). Die Badewannenkurve zeigt: Am Morgen sind die Solarmodule noch kühl und arbeiten bei hoher Spannung. Mit steigender Sonneneinstrahlung und steigender Lufttemperatur steigt auch die Temperatur der Solarmodule. Dadurch sinkt die Spannung am Vormittag (negativer Temperaturkoeffizient). Mit der Abkühlung der Solarmodule am Nachmittag steigt die Spannung wieder an (siehe Abbildung 2).

Derating von Wechselrichtern

Bei einer größeren Freiflächen-Photovoltaikanlage wurden Wechselrichter mit einer AC-Nennleistung von 60 Kilovoltampere (kVA) mit einer Solarmodul-Nennleistung von 78 Kilowattpeak (kWp) „verheiratet“. Das Auslegungsverhältnis beträgt somit 78/60 = 1,3 und ist ungünstig gewählt – zumindest aus Sicht des Sachverständigen, der die Anlagenkonfiguration zunächst im Hinblick auf einen möglichst hohen spezifischen Ertrag (kWh/kWp) beurteilt. Optimal wäre ein Auslegungsverhältnis von maximal 1,1. Somit wurden in diesem Fall zu viele Solarmodule beziehungsweise eine zu hohe Solarmodul-Nennleistung an die Wechselrichter angeschlossen. Argumente für dieses Auslegungsverhältnis sind reduzierte Wechselrichterkosten und die Tatsache, dass Solarmodule erfahrungsgemäß nur wenige Stunden im Jahr ihre Nennleistung erreichen oder übersteigen. Wenn der Wechselrichter mit dieser temporär vorhandenen, zu hohen Leistung fertigwerden kann, ohne dass er Schaden nimmt, kann das Auslegungsverhältnis auch aus sachverständiger Sicht als „okay“ beurteilt werden.

Die weitere Recherche ergab, dass die Wechselrichter mit einer Derating-Funktion ausgestattet sind: Wenn von den Solarmodulen zu viel Leistung geliefert wird, schützt sich der Wechselrichter, indem er die von den Modulen gelieferte DC-Leistung drosselt. Im Benutzerhandbuch des Herstellers ist das wie folgt beschrieben: „Wenn die PV-Eingangsleistung die maximal definierte DC-Eingangsleistung des Wechselrichters überschreitet, dann reduziert der Wechselrichter die Leistung fließend bis zur Höchstgrenze und hält die Ausgangsleistung auf Nenn-Niveau.“

Die spannende Frage war nun: Würde sich das Derating auch in den Monitoringdaten finden lassen? Vorweggenommene Antwort: Ja.

Den optimalen Betriebspunkt finden

Was passiert beim Derating technisch? Dazu müssen wir uns die Spannungs-Strom-Kennlinie eines Strings ansehen. Der Wechselrichter ist bestrebt, als optimalen Betriebspunkt den Punkt maximaler Leistung (MPP) einzustellen. Zu jeder Einstrahlung und zu jeder Temperatur gibt es individuelle Kennlinien. Aufgabe des Wechselrichters ist es, bei den unterschiedlichsten Bedingungen immer den MPP zu finden.

Beim Derating drosselt der Wechselrichter die Leistung, die von den Solarmodulen geliefert wird. Dies kann er erreichen, indem er den Arbeitspunkt entlang der Kennlinie verschiebt. Wenn der Wechselrichter die Stringspannung anhebt, dann wandert der Arbeitspunkt auf der Kennlinie nach rechts und somit sinkt der Stringstrom. Die Leistung ist das Produkt aus Spannung mal Strom und wenn der Strom stärker sinkt, als die Spannung steigt, dann reduziert sich die Leistung. Bei der Auswertung der Monitoringdaten wurde nun genau diese Konstellation – Verschiebung des Arbeitspunktes durch höhere Stringspannung – gesucht. Und gefunden, siehe Abbildungen 3 und 4. (Christian Dürschner)

Der Autor Dipl.-Ing. Christian Dürschner, Ing.-Büro Dürschner, Erlangen, arbeitet seit mehreren Jahren als Sachverständiger für Photovoltaikanlagen und schreibt hin und wieder Fachtexte zur Photovoltaik. Sein Fachbuch „Photovoltaik für Profis“ wird demnächst in einer dritten, vollständig überarbeiteten Auflage erscheinen.

Produktmeldung: Dienstleistungen/Gantner Instruments

Repowering von Monitoringlösungen

Gantner Instruments bietet ein Monitoringkonzept für Betriebsführer und Besitzer von Photovoltaik-Großanlagen an, die eine Alternative zu ihrer bisherigen Monitoringlösung suchen. Dies kann laut Gantner interessant sein, wenn bestehende Monitoringportale ihre Konditionen ändern oder den Betrieb ohne Alternativen kurzfristig einstellen. Durch das sogenannte „Re-Powering“ des Monitorings könnten Kunden ihre Daten wie gewohnt erfassen, speichern und analysieren. Zudem könne die Anlagenstruktur für eine effiziente Betriebsführung und Wartung in das Monitoring einbezogen werden. Die Funktion der Kraftwerksregelung sei standardmäßig inbegriffen.www.gantner-instruments.com