Grundlagen/Wechselrichter

Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom einer Photovoltaikanlage in netzsynchronen Wechselstrom um und verbindet sie damit mit dem Hausnetz und dem öffentlichen Stromnetz. Ohne ihn ließe sich der Solarstrom weder im Gebäude nutzen noch einspeisen; ist ein Stromspeicher beteiligt, hängt auch dessen Ladung häufig am selben Gerät. Für den Ertrag zählen drei Eigenschaften des Geräts: wie gut es die Module in ihrem besten Arbeitspunkt hält, wie viel es bei Teillast verliert und wo seine Nennleistung die Erzeugung kappt. Diese Seite erklärt das Funktionsprinzip, den Wirkungsgrad über der Auslastung und den europäischen Wirkungsgrad, das Verhältnis von Modul- zu Geräteleistung mit der Abregelung und wie EPOS-Plan den Wechselrichter Stunde für Stunde rechnet. Die Bedienung – Katalog, Stränge und Ampel – beschreibt Programm Dokumentation/Wechselrichter.

Funktionsprinzip

Kernstück ist der MPP-Tracker (Maximum Power Point Tracker): Er stellt Spannung und Strom am Eingang laufend so ein, dass die angeschlossenen Module unter wechselnder Einstrahlung und Temperatur ihre größtmögliche Leistung liefern, und wandelt diese Gleichstromleistung in Wechselstrom mit Netzfrequenz und -spannung um. Ein Strang – mehrere Module in Reihe geschaltet – muss mit seiner Spannung in das Spannungsfenster des gewählten MPP-Trackers passen: Kälte hebt die Leerlauf- und die MPP-Spannung an, Wärme senkt sie, und beide Grenzfälle müssen innerhalb der Gerätegrenzen bleiben. Geräte mit mehreren, unabhängig regelnden MPP-Trackern erlauben getrennte Ausrichtungen oder Stranganzahlen an einem einzigen Wechselrichter. Kleinere Anlagen bekommen meist einen String-Wechselrichter, der nur die Module wandelt; ein Hybridwechselrichter bindet zusätzlich einen Stromspeicher gleichstromseitig ein und spart dessen Ladung eine Umwandlungsstufe, koppelt dafür aber die Lebensdauer beider Geräte.

Der Arbeitspunkt, den der Tracker sucht, liegt auf der Strom-Spannungs-Kennlinie der Module dort, wo das Produkt aus Strom und Spannung am größten ist. Mehr Einstrahlung hebt vor allem den Strom, eine höhere Zelltemperatur senkt vor allem die Spannung; der beste Arbeitspunkt wandert deshalb mit jeder Wolke und mit dem Tagesgang der Temperatur, und der Tracker folgt ihm in Sekundenbruchteilen. Hinter dem Tracker formt eine Brückenschaltung die Gleichspannung in Wechselspannung um. Dabei entstehen zwei Arten von Verlusten: ein fester Anteil für Regelung, Ansteuerung und Schaltvorgänge, der bei kleiner Leistung stark ins Gewicht fällt, und ein Anteil, der mit dem Quadrat des Stroms wächst und bei Volllast überwiegt. Dazwischen, meist um die halbe Nennleistung, liegt der beste Wirkungsgrad.

Strang und Spannungsfenster

Die Spannung eines Strangs ist die Summe der Modulspannungen. Ändert sich die Zelltemperatur, ändert sich die Spannung jedes Moduls nahezu linear mit dem Temperaturkoeffizienten ${\beta }_{\mathrm{O}\mathrm{C}}$ in V/K, und für einen Strang aus $n$ Modulen gilt um den Bezugspunkt der Standardbedingungen (25 °C Zelltemperatur):

$U_{\mathrm{S}\mathrm{t}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{g}}(T)=n\cdot (U_{\mathrm{S}\mathrm{T}\mathrm{C}}+{\beta }_{\mathrm{O}\mathrm{C}}\cdot (T-25{}^{\circ }\mathrm{C}))$

Für $U_{\mathrm{S}\mathrm{T}\mathrm{C}}$ steht die Leerlaufspannung, wenn es um die höchste zulässige Eingangsspannung geht, und die MPP-Spannung, wenn es um das Arbeitsfenster des Trackers geht. Der kalte Fall – ein klarer Wintermorgen – liefert die höchste Spannung, der heiße Fall – ein Sommermittag mit warmen Modulen – die niedrigste. EPOS-Plan prüft beide Fälle im Dialog als Ampel mit acht Regeln, vorbelegt mit −10 °C und +70 °C Zelltemperatur (Prüfungen der Ampel).

Beispiel. Ein Modul mit 40 V Leerlaufspannung, 33 V MPP-Spannung und ${\beta }_{\mathrm{O}\mathrm{C}}$ = −0,12 V/K hat bei −10 °C eine Leerlaufspannung von 40 + 0,12 × 35 = 44,2 V und eine MPP-Spannung von 37,2 V, bei +70 °C eine MPP-Spannung von 33 − 0,12 × 45 = 27,6 V. An einem Gerät mit 1.000 V höchster Eingangsspannung und dem MPP-Fenster 200 bis 800 V passen mindestens 8 Module in Reihe (8 × 27,6 = 221 V über 200 V) und höchstens 21 (21 × 37,2 = 781 V unter 800 V).

Wirkungsgrad und europäischer Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad eines Wechselrichters ist das Verhältnis von abgegebener Wechselstrom- zu aufgenommener Gleichstromleistung. Er hängt an der Auslastung $x$, der Leistung bezogen auf die AC-Nennleistung des Geräts: Bei 5 % Auslastung frisst der feste Verlustanteil einen spürbaren Teil der Leistung, um 30 bis 50 % liegt das Maximum, zur Volllast hin sinkt er leicht. Datenblätter geben die Kennlinie an sechs Stützstellen an – bei 5, 10, 20, 30, 50 und 100 % – und fassen sie im europäischen Wirkungsgrad zusammen, einem gewichteten Mittel, das die Häufigkeit dieser Auslastungen unter mitteleuropäischer Einstrahlung nachbildet:

${\eta }_{\mathrm{e}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{o}}=\mathrm{0,03}\cdot {\eta }_5+\mathrm{0,06}\cdot {\eta }_{10}+\mathrm{0,13}\cdot {\eta }_{20}+\mathrm{0,10}\cdot {\eta }_{30}+\mathrm{0,48}\cdot {\eta }_{50}+\mathrm{0,20}\cdot {\eta }_{100}$

Dabei ist ${\eta }_5$ der Wirkungsgrad bei 5 % Auslastung und so fort; die Gewichte summieren sich zu 1. Fast die Hälfte des Gewichts liegt bei halber Last, weil eine Anlage in Mitteleuropa die meiste Energie bei mittlerer Einstrahlung erzeugt. Der Maximalwirkungsgrad eines Datenblatts sagt dagegen nur, wie gut das Gerät an seinem besten Punkt ist. Angaben zu Wirkungsgrad und Kennwerten regeln DIN EN 50524 (Datenblatt- und Typschildangaben von Photovoltaik-Wechselrichtern) und DIN EN 50530 (Gesamtwirkungsgrad von Photovoltaik-Wechselrichtern); die zweite bewertet zusätzlich, wie gut der Tracker den MPP trifft.

Links der Wirkungsgrad über der Auslastung für eine Beispielkennlinie mit sechs Stützstellen und die Dreipunkt-Vorgabe von EPOS-Plan, dazu die Gewichte des europäischen Wirkungsgrads; rechts ein wolkenloser Junitag mit 10 kWp an Geräten mit 10 und 7,5 kW AC-Nennleistung und der Abregelung. Prinzipbild; Stützstellen, Gewichte und Vorgabe aus dem Rechenkern, Kennlinie und Feld als Beispielwerte.

Beispiel. Ein Gerät mit den Wirkungsgraden 0,90 / 0,94 / 0,96 / 0,97 / 0,975 / 0,97 bei 5 / 10 / 20 / 30 / 50 / 100 % Auslastung hat den europäischen Wirkungsgrad 0,03 × 0,90 + 0,06 × 0,94 + 0,13 × 0,96 + 0,10 × 0,97 + 0,48 × 0,975 + 0,20 × 0,97 = 0,027 + 0,056 + 0,125 + 0,097 + 0,468 + 0,194 = 0,967. Sein Maximalwirkungsgrad ist 0,975 – der europäische Wirkungsgrad liegt knapp einen Prozentpunkt darunter, weil die schwachen Stunden mitzählen.

DC/AC-Verhältnis und Abregelung

Das DC/AC-Verhältnis ist die Nennleistung der Module an einem Gerät geteilt durch dessen AC-Nennleistung:

$\mathrm{D}\mathrm{C}/\mathrm{A}\mathrm{C}=\frac{\sum P_{\mathrm{S}\mathrm{T}\mathrm{C}}}{P_{\mathrm{A}\mathrm{C},\mathrm{n}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{n}}}$

Ein Verhältnis über 1 heißt: Das Gerät ist kleiner als das Modulfeld. Das ist üblich und sinnvoll, denn die volle Modulleistung steht unter Standardbedingungen – 1.000 W/m² bei 25 °C Zelltemperatur –, und die treten selten auf; warme Module, schräge Einstrahlung und Leitungsverluste lassen die Gleichstromleistung meist deutlich darunter. Ein kleineres Gerät kostet weniger und arbeitet in den vielen schwachen Stunden bei höherer Auslastung, also näher am besten Wirkungsgrad. Der Preis ist die Abregelung (Clipping): Liefert das Feld mehr, als das Gerät abgeben kann, regelt der Tracker den Arbeitspunkt vom MPP weg, und die Wechselstromleistung bleibt auf der Nennleistung stehen,

$P_{\mathrm{A}\mathrm{C}}=\min (P_{\mathrm{D}\mathrm{C}}\cdot \eta (x);P_{\mathrm{A}\mathrm{C},\mathrm{n}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{n}})$

Was darüber liegt, geht verloren – spürbar vor allem an klaren Sommermittagen.

Beispiel. Das rechte Bild oben zeigt ein Feld mit 10 kWp nach Süden mit 30° Neigung an einem wolkenlosen 21. Juni; es liefert am Mittag 8,8 kW Gleichstrom, über den Tag 75,5 kWh. Ein Gerät mit 10 kW (DC/AC 1,0) gibt 73,1 kWh ab und regelt nie ab. Ein Gerät mit 7,5 kW (DC/AC 1,33) gibt 70,1 kWh ab: Rund vier Stunden um die Mittagszeit liegt es an seiner Grenze und regelt dabei 3,0 kWh ab, 4,2 % des Tages. Über das Jahr ist der Anteil kleiner, weil wolkenlose Mittagsstunden selten sind; wie groß er in einem Projekt ist, weist der Lauf als Clipping-Anteil aus.

Wie EPOS-Plan den Wechselrichter rechnet

EPOS-Plan rechnet den Wechselrichter in jeder Stunde als Teil der Photovoltaik: aus der Gleichstromleistung der Module nach den Systemverlusten wird die Wechselstromleistung, die in die Bilanz mit dem Strombedarf geht. Wie genau, hängt vom Weg ab, den die PV-Anlage rechnet.

Weg	Wechselrichter	Abregelung
Rechenmodell Einfach, vereinfacht	ein fester Wirkungsgrad je Anlage, leer 0,95	keine
Rechenmodell Erweitert, vereinfacht	Kennlinie aus drei Stützstellen bei 10, 50 und 100 % Auslastung, leer 0,94 / 0,975 / 0,97	an der AC-Nennleistung der Anlage; ohne sie keine
mit Wechselrichter (beide Rechenmodelle)	Gerät aus dem Katalog mit bis zu sechs Stützstellen; Stränge mit eigener Neigung und Ausrichtung und, wahlweise, eigenem Modul	je Gerät an seiner AC-Nennleistung, dazu Einschaltschwelle und Nachtverbrauch

Wirkungsgrad über der Auslastung mit den sechs Stützstellen und Wechselstrom über dem Gleichstrom eines Geräts mit 25 kW AC-Nennleistung; die Fläche über der Nennleistung ist die Abregelung. Prinzipbild nach dem Rechenweg von EPOS-Plan mit Beispielwerten.

Kennlinie. Die Auslastung einer Stunde ist die Gleichstromleistung nach den Systemverlusten geteilt durch die AC-Nennleistung, $x=P_{\mathrm{D}\mathrm{C},\mathrm{s}\mathrm{y}\mathrm{s}}/P_{\mathrm{A}\mathrm{C},\mathrm{n}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{n}}$. Zwischen zwei Stützstellen wird der Wirkungsgrad linear interpoliert, unter der kleinsten läuft die Kennlinie linear vom Ursprung, über 100 % bleibt sie konstant, und dahinter greift die Abregelung. Fehlt im Katalog eine Stützstelle, wird zwischen den beiden nächsten vorhandenen interpoliert; führt ein Gerät keine, rechnet der Lauf mit der Dreipunkt-Vorgabe und meldet es. Die Datenblattkennlinie bezieht sich streng genommen auf die abgegebene Leistung, EPOS-Plan liest sie an der aufgenommenen; der Unterschied liegt bei 2 bis 4 % der Auslastung und damit im Zehntelprozentbereich des Wirkungsgrads. Weil die Vorgabe keinen Punkt unter 10 % kennt, fällt sie dort linear auf null; in den europäischen Wirkungsgrad gerechnet ergäbe sie 0,952, ein Gerät mit eigener 5-%-Stützstelle meist mehr.

Gerät, Stränge und Nachtverbrauch. Im Weg mit Wechselrichter summiert der Lauf die Gleichstromleistung aller Stränge eines Geräts – jeder Strang mit seiner Ausrichtung und seinem Modul –, zieht die Systemverluste der Anlage ab und rechnet Kennlinie und Abregelung je Gerät. Ein Gerät ist das Paar aus Wechselrichtertyp und Gerätenummer. Eine eigene Leistungsgrenze je MPP-Tracker gibt es nicht; der Tracker ist eine Prüfgröße der Ampel. Liegt die Gleichstromleistung unter der Einschaltschwelle des Geräts, speist es nicht ein, sondern zieht seinen Nachtverbrauch aus dem Netz – eine negative Erzeugung, die den Ertrag mindert. Ohne gepflegte Werte sind beide null.

Kennzahlen des Laufs. Je Gerät und Anlage weist der Lauf das DC/AC-Verhältnis, den Ertrag, den Clipping-Verlust und den Clipping-Anteil, die Volllaststunden auf der Wechselstromseite, den Jahresnutzungsgrad und den Nachtverbrauch aus. Der Jahresnutzungsgrad ist die Summe der Wechselstromenergie geteilt durch die Summe der Gleichstromenergie des Jahres; er ist die Zahl, mit der sich der europäische Wirkungsgrad des Datenblatts gegen das Verhalten dieser Anlage an diesem Standort vergleichen lässt.

Beispiel. Ein Gerät mit 25 kW AC-Nennleistung bekommt in einer Stunde 10 kW Gleichstrom: Die Auslastung ist 10 / 25 = 40 %, der Wirkungsgrad liegt zwischen 0,97 bei 30 % und 0,975 bei 50 % bei 0,9725, und das Gerät gibt 10 × 0,9725 = 9,7 kW ab. In einer klaren Mittagsstunde kommen 28 kW: Die Auslastung ist 112 %, der Wirkungsgrad bleibt bei 0,97, ohne Grenze wären es 27,2 kW, abgegeben werden 25 kW, 2,2 kW werden abgeregelt.

Grenzen. Der Wechselrichter wird stundenweise gerechnet; die Regelgüte des Trackers, Teilverschattung einzelner Module und die Spannung des Strangs gehen nicht in den Ertrag ein – die Spannungen prüft nur die Ampel. Blindleistung und Netzschutz rechnet EPOS-Plan nicht; eine Begrenzung der Einspeisung am Netzanschluss ist eine eigene Projekteinstellung, die nur die Photovoltaik abregelt (Photovoltaik).

Kennzahlen

Kennzahl	Bedeutung	typischer Bereich
MPP-Spannungsfenster	Spannungsbereich, in dem ein MPP-Tracker den Arbeitspunkt regelt	200–800 V (kleine Geräte) bis 150–1 000 V (große Geräte)
Europäischer Wirkungsgrad	genormt gewichteter Teillastwirkungsgrad, der die mitteleuropäische Einstrahlungsverteilung nachbildet	96–98 %
Maximalwirkungsgrad	höchster erreichter Wirkungsgrad, meist im oberen Teillastbereich	97–99 %
DC/AC-Verhältnis (Dimensionierungsfaktor)	installierte Modulleistung geteilt durch die AC-Nennleistung des Geräts	1,1–1,3
Nachtverbrauch	Eigenverbrauch des Geräts außerhalb der Einspeisezeit	1–10 W
Anzahl MPP-Tracker	unabhängig voneinander regelbare Eingänge	1–4 bei kleinen und mittleren Geräten, mehr bei Großanlagen
Jahresnutzungsgrad	Wechselstrom- zu Gleichstromenergie eines Jahres, Kennzahl des Laufs	knapp unter dem europäischen Wirkungsgrad
Clipping-Anteil	abgeregelte Energie bezogen auf Ertrag plus Abregelung, Kennzahl des Laufs	wenige Prozent bei DC/AC bis 1,3

Die Bereiche der Tabelle sind Planungsrichtwerte, nicht im Programm. Die Ampel von EPOS-Plan meldet ein DC/AC-Verhältnis außerhalb 1,0 bis 1,5 gelb; die Wirkungsgrade nimmt der Lauf aus dem Katalog des Geräts oder aus der Vorgabe.

Typische Größen

Richtwerte je Einsatzfall, gerundet:

	Einfamilienhaus	Mehrfamilienhaus	Gewerbe
AC-Nennleistung	rund 5–10 kW	rund 15–30 kW, auch mehrere Geräte	50 kW bis in den Megawattbereich, meist mehrere Geräte
MPP-Tracker	1–2	2–4	viele, oft einer je Dachfläche oder Teilfeld
DC/AC-Verhältnis	rund 1,2	rund 1,2–1,3	rund 1,2–1,4

Was das für die Auslegung bedeutet

• Erst die Module, dann das Gerät. Modulleistung, Zahl der Ausrichtungen und Stränge legen fest, wie viele Tracker und welches Spannungsfenster nötig sind; das Gerät folgt daraus. Die Ampel und der Knopf Auslegung vorschlagen prüfen und verteilen die Stränge im Dialog.
• DC/AC über 1. Ein Gerät etwas kleiner als das Feld kostet wenig Ertrag; wie viel genau, zeigt der Clipping-Anteil des Laufs. Je flacher und je mehr nach Osten und Westen ein Feld ausgerichtet ist, desto seltener erreicht es seine Nennleistung und desto weniger kostet ein höheres Verhältnis.
• Teillast zählt. Für den Ertrag ist der europäische Wirkungsgrad aussagekräftiger als der Maximalwert; ein Gerät, das bei 5 und 10 % gut ist, gewinnt in den vielen schwachen Stunden.
• Spannung mit Reserve. Der kalte Fall darf die höchste Eingangsspannung nicht überschreiten, der heiße Fall nicht unter das MPP-Fenster fallen; die Auslegungstemperaturen des Projekts gehören zum Standort.
• Speicher mitdenken. Soll ein Stromspeicher gleichstromseitig laden, kommt ein Hybridwechselrichter in Frage; AC-gekoppelt bleibt der Speicher vom Wechselrichter der Module unabhängig (Stromspeicher).

Beispiel. Für das Feld mit 10 kWp aus dem Bild oben stehen ein Gerät mit 10 kW und eines mit 7,5 kW zur Wahl. Am wolkenlosen Junitag gibt das kleinere 3,0 kWh weniger ab, 4,2 % des Tages; an einem Tag, an dem das Feld höchstens 7 kW liefert, verliert es nichts und arbeitet bei höherer Auslastung. Ob das kleinere Gerät sich lohnt, entscheidet der Jahreslauf: Er zeigt Clipping-Anteil, Volllaststunden und Jahresnutzungsgrad beider Geräte nebeneinander.

Einsatz und Grenzen

Ein Wechselrichter wird nach der Modulleistung, der Stranganzahl und -spannung sowie der gewünschten Zahl an Ausrichtungen gewählt, nicht umgekehrt. Ein knapp bemessenes Gerät – ein DC/AC-Verhältnis über 1 – senkt die Kosten je Kilowattstunde und verbessert den Teillastbetrieb, weil die volle Modulleistung ohnehin nur an wenigen Stunden im Jahr ansteht; der Preis dafür ist die Abregelung: Oberhalb der AC-Nennleistung wird die überschüssige Gleichstromleistung gekappt, spürbar vor allem an sonnigen Sommertagen um die Mittagszeit. Ein String-Wechselrichter deckt eine oder wenige Ausrichtungen ab; bei vielen Teilfeldern oder einem Speicher, der möglichst verlustarm gleichstromseitig geladen werden soll, kommt eher ein Hybridwechselrichter oder eine Aufteilung auf mehrere kleinere String-Geräte in Frage. Der Netzanschluss selbst folgt in Deutschland der VDE-AR-N 4105 für Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz; Schutzeinstellungen, Rückspeisegrenzen und die Anmeldung beim Netzbetreiber sind Sache der Elektrofachkraft, nicht der Anlagenplanung.

Für die Gleichstromseite gelten DIN VDE 0100-712 und IEC 62548: Schutz gegen elektrischen Schlag, Brandschutz, Überspannungsschutz, Leitungen und Sicherungen – bemessen auf den 1,25-fachen Kurzschlussstrom – und die Spannungsklasse der Betriebsmittel (1 000 V oder 1 500 V). Die tiefste Auslegungstemperatur ist nach IEC 62548 die am Standort niedrigste zu erwartende Temperatur. Ohne Temperaturkoeffizienten des Moduls rechnet die Praxis bei kristallinem Silizium mit der 1,15-fachen Leerlaufspannung.

In EPOS-Plan

In EPOS-Plan ist der Wechselrichter Teil der Photovoltaik-Anlage: Im PV-Dialog ordnet ein eigener Abschnitt jedem Modulstrang ein Gerät aus dem Wechselrichterkatalog zu. Der Katalog wird getrennt gepflegt, unter Administration → Energiesysteme → Photovoltaik → „Wechselrichter" (Import unter Administration → Daten & Import → Photovoltaik → „Wechselrichter (CEC, OND)…"). Einbindung, ein Rechenbeispiel, das Zusammenspiel mit anderen Techniken und die Fallstricke stehen auf der Anwendungsseite: Einbindung, Beispiel, Zusammenspiel und Fallstricke. Der Rechenweg steht unter Berechnung: Photovoltaik.

Siehe auch

• Photovoltaik – Modul, Ausrichtung und Ertrag
• Stromspeicher – Speicherung und Kopplung mit dem Wechselrichter
• Gerätekataloge – Verwaltung, Import und Dubletten des Wechselrichterkatalogs

Grundlagen

• Klimadaten
• Wärmebedarfsrechnung
• Strombedarf und Lastprofile
• Brauchwasser
• Prozesswärme
• Gebäudemodell VDI 6007
• Bauteile am Erdreich
• Brauchwasser-Zapfprofile
• Gemeinjahr und Feiertage
• Wärmepumpe
• Wärmequelle Erdreich
• BHKW
• Solarkollektoren
• Photovoltaik
• Wechselrichter
• Kessel und Spitzenlast
• Kühlung
• Pufferspeicher
• Stromspeicher
• Hydraulikschemata
• Anlagenkopplung und Regelung
• Vergleich Energiebilanz
• Kostenrechnung
• Erlösrechnung
• Wirtschaftlichkeitsrechnung