Was Sie schon immer über Wechselrichter wissen wollten

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1 Was Sie schon immer über Wechselrichter wissen wollten Aufbau und Bestandteile einer netzgekoppelten PV-Anlage Wichtigste Merkmale von Wechselrichtern Auslegungskriterien und typische Fehler Optimierungsmöglichkeiten durch sinnvolle Wechselrichterwahl Besondere Schaltungskonzepte Dipl. Ing. Udo Siegfriedt, DGS Berlin Brandenburg

2 Bestandteile einer netzgekoppelten Anlage Solargenerator DC-Verkabelung Wechselrichter AC-Anschluss und Zähler

3 Aufgaben des Wechselrichter Betriebsführung Solargenerator (MPP Regelung) ggf. Potentialfestlegung Sicherheit (Isolationsmessung) Anpassung Spannungsniveaus Umwandlung in netzkonformen Wechselstrom Sicherheit (automatische Freischaltung)

4 Schaltungskonzepte Wechselrichter Eingangs- Filter Netzfreischaltung Netzfilter + Schaltregler Brücke Tra fo L1 - N selbstgeführter Wechselrichter mit NF-Transformator Ansteuerung Schaltregler PWM Ist- Sollwert - Vergleich Ansteuerung Brücke MPP- Regler Temp - U Solar Über - wachungs- logik Einphasige Netzüber- wachung ENS 2 5 Meßtechnik Display Wechselrichter mit HF-Trafo HF-Trafo Trafoloser Wechselrichter >>330 V

5 Welcher Wechselrichter ist der Richtige? (spezifischer) Preis Leistungsbereich Eingangsspannungsbereich Eingangsströme g Wirkungsgrad Besondere Funktionen (mehrere MPP Eingänge, MPP-Optimierungs-Suche ) Datenerfassung Einsatzbereich (outdoor, Modultyp) Service - Garantien Verfügbarkeit!

6 Wirkungsgrade von Wechselrichtern η um Umwandlungswirkungsgrad η um = P P Ausgang Eingang = P P AC DC η an Anpassungswirkungsgrad (MPP-Wirkungsgrad) η an = P P DC MPP η WR Gesamtwirkungsgrad η WR = η η um an P = P AC DC P P DC MPP P = P Der Wirkungsgrad des Wechselrichters ist abhängig von seiner Auslastung. Auslastung = Verhältnis der Momentanleistung zur Nennleistung (P/P N ) Die Momentanleistung ist abhängig von der momentanen Einstrahlung AC MPP η WR = f P = f ( P P ) n ( E ) MPP E PV Der durchschnittliche Jahreswirkungsgrad ist somit Standortabhängig.

7 Einstrahlung auf den Generator

8 Einstrahlungsverhalten an verschiedenen Tagen Momentanwerte (Leistungen) und Stundenmittelwerte (Energie) an einem sonnigen und einem bewölkten Tag An leicht bewölkten Tagen treten die höchsten (kurzzeitigen) Leistungen auf

9 Einstrahlungsenergie in Berlin Häufigkeit und Energie für eine südausgerichtete, 30 geneigte PV-Anlage

10 Einstrahlungsenergie in Kalifornien Häufigkeit und Energie für eine südausgerichtete, 30 geneigte PV-Anlage

11 Europäischer und kalifornischer Wirkungsgrad Aus dem Wirkungsgradverlauf wird der Wirkungs- grad für verschiedene Leistungsklassen ermittelt Für ein mitteleuropäisches Klima wurde als gewichteter Wirkungsgrad der europäische Wirkungsgrad g definiert für südeuropäische Länder mit höheren Einstrahlungen liefert der kalifornische Wirkungsgrad realistischere Ergebnisse Europäischer Wirkungsgrad = 0,03 + 0,06 + 0,13 + 0,1 + 0,48 + 0,2 η η Euro η η 5% 10% η η 10% Kalifornischer Wirkungsgrad (ohne spannungsabhängige Mittelung) CEC 20% η η 20% = 0,04 + 0,05 + 0,12 + 0,21 + 0,53 + 0,05 30% η 30% η 50% η η 50% 75% η 100% η 100%

12 Spannungsabhängige Wirkungsgrade Aufgrund der Spannungsabhängigkeit von Anpassungs- und Umwandlungswirkungsgrad ist der Gesamtwirkungsgrad spannungsabhängig

13 Spannungsverhalten verschiedener Wechselrichter

14 Auslegung Wechselrichter

15 Leistungsauslegung

16 Datenblattangaben

17 Korrekturfaktoren für die Korrekturfaktoren Beispiel SOLON Blue 220/03: β L =-0,34 β MPP =-0,34 0,11 β MPP =-0,45

18 Elektrosmog und Lärm Grenzwerte für elektromagnetische Felder und Messergebnisse an einer PV-Anlage mit unterschiedlichen Wechselrichtern: Geräuschentwicklung: kleine WR bis ca. 3 kw: <35dBA Großgeräte über 50 kw: > 60 dba

19 Installationsort des Wechselrichters Idealer Standort: Indoor kühl trocken staubfrei vor Dämpfen geschützt Outdoor: mindestens IP 54 vor direkter Sonneneinstrahlung und Regen geschützt zugänglich Wechselrichter mit Kühlsystem OptiCool

20 Betriebsdatenerfassung und -auswertung Eingangsseitig: Spannung U DC, Strom I DC und Leistung P DC Ausgangsseitig: Spannung U AC,StromI I AC, Leistung P AC und Frequenz f Betriebsdauer des Wechselrichters Erzeugte Energiemenge Gerätestaus und Störungen neu: IU-Kennlinie des Generators Schnittstelle: seriell (RS 232) oder parallel (RS 485, CAN) Auswertungssoftware der Hersteller oder Fremdanbieter

21 Betriebsdatenüberwachung von PV-Anlagen

22 Einspeisemanagement Technik und Nachweis Datenlogger mit integriertem Einspeisemangement und separate herstellerspezifische Boxen Informationen zum Einsatz des Einspeisemanagements auf der Homepage des Energieversorgers

23 Netzstützung durch Blindleistungsbereitstellung

24 Direkte Mittelspannungseinspeisung im Großwechselrichterbereich

25 Wechselrichterabschaltung durch hohe Netzspannung

26 Wechselrichterarten und Baugrößen Zentraler Wechselrichter hoher Leistungsbereich (dreiphasig) SINVERTsolar 100 Konzept: SG mit NF-Trafo P n DC = 93 kw U MPP = V x 950 x 850 mm 750 kg Zentraler Wechselrichter im kleinen Leistungsbereich ( einphasig) Top Class III TCG 2500/6 Konzept: SG mit NF-Trafo P n DC = 2,5 kw U MPP = V 456 x 320 x 211 mm 22 kg Strangwechselrichter Modulwechselrichter Sunny Boy 2100 TL DMI 150/35 Konzept: trafolos SG Konzept: P n DC = 2 kw SG mit NF-Tr. U MPP = V P n DC = 120 W 295 x 434 x 214 mm U MPP = V 25 kg 80 x 200 x 100 mm 2,8 kg

27 Zentrales Wechselrichterkonzept Kleinspannungskonzept Konzept mit höheren Spannungen PV - Generator Leistungsbereich ( einphasig) Top Class III TCG 2500/6 Konzept: SG mit NF-Trafo P n DC = 2,5 kw U MPP = V 456 x 320 x 211 mm 22 kg SK I SK II SK III Gerät ist mit Schutzleiter verbunden Schutzisolierung (doppelte oder verstärkte Isolierung) Schutzkleinspannung (max. AC: 50 V, max. DC: 120 V -Zentraler Wechselrichter im kleinen rator PV Gener Zentraler Wechselrichter im hohen Leistungsbereich (dreiphasig) SINVERTsolar 100 Konzept: SG mit NF-Trafo P n DC = 93 kw U MPP = V x 950 x 850 mm 750 kg

28 Strangwechselrichterkonzept Strangwechselrichter Sunny Boy SWR 2100 TL Konzept: trafolos SG P n DC = 2 kw U MPP = V 295 x 434 x 214 mm 25 kg Teilgeneratorkonzept PV- Teilgenerator 1 PV- Teilgenerator 2 ~ 1 MW PV-Anlage auf der Fortbildungsakademie Mont Cenis in Herne Strangwechselrichter auf dem Dach

29 Master-Slave-Konzept Slave 1 Master PV-Generator Slave 2 1 MW PV-Anlage der Neuen Messe München (2003: Erweiterung um 1,2 MW)

30 Modulwechselrichterkonzept Modulwechselrichter DMI 150/35 Konzept:SG mit NF- Trafo P n DC = 120 W U MPP = V 80 x 200 x 100 mm 2,8 kg Karl-Philipp-Moritz-Haus in Berlin-Kreuzberg. Karl Philipp Moritz Haus in Berlin Kreuzberg. Fassadenintegrierte PV-Anlage mit Modulwechselrichtern zur Einspeisung in die UV der Wohnungen ~

31 Multistring / Parallelschaltung Multistring- Wechselrichter P ll l h lt K t Parallelschaltungs-Konzept bei Dünnschichtmodulen

32 Verschattung und Bypassdioden

33 Arbeitspunkte der beleuchteten und unbeleuchteten Zelle Alle in Reihe geschalteten Zellen weisen den gleich Strom auf Jede Zelle hat einen Arbeitspunkt, der auf ihrer Kennlinie liegt Sind nur wenige Zellen verschattet, geben die unverschatteten Zellen den Strangstrom vor Der Arbeitspunkt der beleuchteten Zellen bleibt (nahezu) gleich Der Arbeitspunkt der verschatteten Zelle ist beim gleichen Strom, aber bei negativer Spannung Die Leistung der verschatteten Zelle ergibt sich aus dem Strangstrom und der (negativen) Spannung Die verschattete Zelle ist ein Verbraucher und muss die Leistung als Wärme abgeben

34 Verschaltungskonzepte bei Verschattung: String-Wechselrichter Verschattungssituation und Kennlinien bei Reihenschaltung

35 Verschaltungskonzepte bei Verschattung: Zentralwechselrichter Verschattungssituation und Kennlinien bei Parallelschaltung und Verschattung in zwei Strängen

36 Verschaltungskonzepte bei Verschattung: Zentralwechselrichter, ungünstige Schattenverteilung Verschattungssituation und Kennlinien bei Parallelschaltung und Verschattung in ein bis vier Strängen

37 Leistungsverluste abhängig vom Verschaltungskonzept

38 Der globale MPP

39 Typische Verschattungssituation

40 Ertragsverluste durch falsches Regeln

41 - - Potentialfestlegung bei bestimmten Zelltechnologien Problem: Degradationseffekte, die bei einigen Zelltechnologien beobachtet werden Auswirkung bei rückseitenkontaktierten Zellen wie Sunpower: reversible Leistungsreduktion Auswirkung bei Dünschichtzellen in Superstrat Technologie: dauerhafte Leistungsreduktion positive Erdung negative Erdung Erdungskit or PV Generato or PV Generato Erdungskit

42 Wechselrichter nicht verfügbar: was bedeutet das? Kann man warten? (Inbetriebnahme, Ertragsverluste) Rechtliche Probleme (was beauftragt, Garantie und Service) Finanzierung (neue Ertragsgutachten notwendig?) Auslegung kontrollieren (Leistung, Spannung, Strom, Optimierungen) Eigenschaften einsatzgemäß? (Outdoor, Abmessungen, Lautstärke) Datenerfassung kompatibel? (Schnittstelle, Datenformat) Immer den Kunden einbeziehen!

43 Einflussfaktoren auf den solaren Ertrag