Was ist ein Solarwechselrichter?

Während die Welt auf der Suche nach nachhaltigen und sauberen Energielösungen voranschreitet, hat sich die Solarenergie als Vorreiter im Rennen um eine grünere Zukunft herausgestellt. Photovoltaikanlagen (PV) nutzen die reichlich vorhandene und erneuerbare Energie der Sonne und erfreuen sich großer Beliebtheit. Sie ebnen den Weg für einen bemerkenswerten Wandel in der Stromerzeugung. Das Herzstück jeder Photovoltaikanlage ist eine entscheidende Komponente, die die Umwandlung von Sonnenlicht in nutzbare Energie ermöglicht: dieSolarwechselrichterAls Bindeglied zwischen Solarmodulen und Stromnetz spielen Solarwechselrichter eine entscheidende Rolle bei der effizienten Nutzung von Solarenergie. Das Verständnis ihrer Funktionsweise und die Erforschung ihrer verschiedenen Typen ist entscheidend für das Verständnis der faszinierenden Mechanismen der Solarenergieumwandlung. HWie funktioniert ASolarIWechselrichterWork? Ein Solarwechselrichter ist ein elektronisches Gerät, das den von Solarmodulen erzeugten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandelt. Dieser kann zum Betrieb von Haushaltsgeräten und zur Einspeisung in das Stromnetz verwendet werden. Das Funktionsprinzip eines Solarwechselrichters lässt sich in drei Hauptphasen unterteilen: Umwandlung, Steuerung und Ausgabe. Konvertierung: Der Solarwechselrichter empfängt zunächst den von den Solarmodulen erzeugten Gleichstrom. Dieser Gleichstrom liegt typischerweise in Form einer schwankenden Spannung vor, die mit der Intensität des Sonnenlichts variiert. Die Hauptaufgabe des Wechselrichters besteht darin, diese variable Gleichspannung in eine stabile, verbrauchsgerechte Wechselspannung umzuwandeln. Der Umwandlungsprozess umfasst zwei Schlüsselkomponenten: eine Reihe von Leistungsschaltern (üblicherweise IGBTs) und einen Hochfrequenztransformator. Die Schalter schalten die Gleichspannung schnell ein und aus und erzeugen so ein hochfrequentes Impulssignal. Der Transformator erhöht die Spannung anschließend auf das gewünschte Wechselspannungsniveau. Kontrolle: Die Steuerungsstufe eines Solarwechselrichters sorgt für einen effizienten und sicheren Umwandlungsprozess. Sie nutzt ausgeklügelte Steuerungsalgorithmen und Sensoren zur Überwachung und Regelung verschiedener Parameter. Zu den wichtigen Steuerungsfunktionen gehören: a. Maximum Power Point Tracking (MPPT): Solarmodule haben einen optimalen Betriebspunkt, den sogenannten Maximum Power Point (MPP), an dem sie bei gegebener Sonnenintensität die maximale Leistung erzeugen. Der MPPT-Algorithmus passt den Betriebspunkt der Solarmodule kontinuierlich an, um die Leistungsabgabe durch Nachführung des MPP zu maximieren. b. Spannungs- und Frequenzregelung: Das Steuerungssystem des Wechselrichters sorgt für eine stabile AC-Ausgangsspannung und -frequenz, die in der Regel den Standards des öffentlichen Stromnetzes entspricht. Dies gewährleistet die Kompatibilität mit anderen elektrischen Geräten und ermöglicht eine nahtlose Integration in das Stromnetz. c. Netzsynchronisation: Netzgekoppelte Solarwechselrichter synchronisieren Phase und Frequenz des AC-Ausgangs mit dem öffentlichen Stromnetz. Diese Synchronisierung ermöglicht es dem Wechselrichter, überschüssigen Strom ins Netz zurückzuspeisen oder bei unzureichender Solarproduktion Strom aus dem Netz zu beziehen. Ausgabe: Im letzten Schritt liefert der Solarwechselrichter den umgewandelten Wechselstrom an die Verbraucher oder das Stromnetz. Die Leistung kann auf zwei Arten genutzt werden: a. Netzgebundene oder netzgekoppelte Systeme: Bei netzgekoppelten Systemen speist der Solarwechselrichter den Wechselstrom direkt in das öffentliche Stromnetz ein. Dies reduziert die Abhängigkeit von fossilen Kraftwerken und ermöglicht eine Nettomessung, bei der überschüssiger Strom, der tagsüber erzeugt wird, gutgeschrieben und in Zeiten geringer Solarproduktion genutzt werden kann. b. Inselnetzsysteme: In Inselnetzsystemen lädt der Solarwechselrichter zusätzlich zur Stromversorgung der elektrischen Verbraucher einen Batteriespeicher. Die Batterien speichern überschüssige Solarenergie, die in Zeiten geringer Solarproduktion oder nachts, wenn die Solarmodule keinen Strom erzeugen, genutzt werden kann. Eigenschaften von Solarwechselrichtern: Effizienz: Solarwechselrichter sind auf einen hohen Wirkungsgrad ausgelegt, um den Energieertrag der Photovoltaikanlage zu maximieren. Ein höherer Wirkungsgrad führt zu geringeren Energieverlusten während der Umwandlung und stellt sicher, dass ein größerer Anteil der Solarenergie effektiv genutzt wird. Leistungsabgabe: Solarwechselrichter sind in verschiedenen Leistungsklassen erhältlich, von kleinen Wohnanlagen bis hin zu großen gewerblichen Anlagen. Für eine optimale Leistung sollte die Leistung eines Wechselrichters auf die Kapazität der Solarmodule abgestimmt sein. Haltbarkeit und Zuverlässigkeit: Solarwechselrichter sind unterschiedlichen Umweltbedingungen ausgesetzt, darunter Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit und mögliche Überspannungen. Daher sollten Wechselrichter aus robusten Materialien gefertigt und so konstruiert sein, dass sie diesen Bedingungen standhalten und langfristig zuverlässig sind. Überwachung und Kommunikation: Viele moderne Solarwechselrichter sind mit Überwachungssystemen ausgestattet, mit denen Nutzer die Leistung ihrer Photovoltaikanlage verfolgen können. Einige Wechselrichter können zudem mit externen Geräten und Softwareplattformen kommunizieren, um Echtzeitdaten bereitzustellen und eine Fernüberwachung und -steuerung zu ermöglichen. Sicherheitsfunktionen: Solarwechselrichter verfügen über verschiedene Sicherheitsfunktionen zum Schutz des Systems und der damit arbeitenden Personen. Zu diesen Funktionen gehören Überspannungsschutz, Überstromschutz, Erdschlusserkennung und Anti-Islanding-Schutz, der verhindert, dass der Wechselrichter bei Stromausfällen Strom ins Netz einspeist. Klassifizierung von Solarwechselrichtern nach Nennleistung PV-Wechselrichter, auch Solarwechselrichter genannt, lassen sich je nach Bauweise, Funktionalität und Anwendung in verschiedene Typen einteilen. Das Verständnis dieser Klassifizierungen hilft bei der Auswahl des am besten geeigneten Wechselrichters für eine bestimmte Photovoltaikanlage. Im Folgenden sind die wichtigsten Typen von PV-Wechselrichtern nach Leistungsstufe aufgeführt: Wechselrichter nach Leistungsstufe: hauptsächlich unterteilt in dezentrale Wechselrichter (String-Wechselrichter und Mikro-Wechselrichter), zentrale Wechselrichter Zeichenfolge invertiereners: String-Wechselrichter sind der am häufigsten verwendete Typ von PV-Wechselrichtern in privaten und gewerblichen Solaranlagen. Sie sind für die Steuerung mehrerer in Reihe geschalteter Solarmodule ausgelegt, die einen „Strang“ bilden. Der PV-Strang (1–5 kW) hat sich heute auf dem internationalen Markt durch seine maximale Leistungsspitzennachführung auf der DC-Seite und parallelen Netzanschluss auf der AC-Seite zum beliebtesten Wechselrichter entwickelt. Der von den Solarmodulen erzeugte Gleichstrom wird in den String-Wechselrichter eingespeist, der ihn in Wechselstrom zur sofortigen Nutzung oder zur Einspeisung ins Netz umwandelt. String-Wechselrichter sind für ihre Einfachheit, Kosteneffizienz und einfache Installation bekannt. Die Leistung des gesamten Strings hängt jedoch vom leistungsschwächsten Modul ab, was die Gesamteffizienz des Systems beeinträchtigen kann. Mikro-Wechselrichter: Mikro-Wechselrichter sind kleine Wechselrichter, die an jedem einzelnen Solarmodul einer PV-Anlage installiert werden. Im Gegensatz zu String-Wechselrichtern wandeln Mikro-Wechselrichter den Gleichstrom direkt auf Modulebene in Wechselstrom um. Dieses Design ermöglicht den unabhängigen Betrieb jedes Moduls und optimiert so die Gesamtenergieleistung des Systems. Mikro-Wechselrichter bieten mehrere Vorteile, darunter die Optimierung des maximalen Leistungspunkts (MPPT) auf Modulebene, eine verbesserte Systemleistung bei verschatteten oder nicht aufeinander abgestimmten Modulen, erhöhte Sicherheit durch niedrigere Gleichspannungen und eine detaillierte Überwachung der Leistung einzelner Module. Die höheren Anschaffungskosten und der potenzielle Installationsaufwand sind jedoch zu berücksichtigen. Zentralisierte Wechselrichter: Zentralisierte Wechselrichter, auch als Groß- oder Großanlagenwechselrichter (> 10 kW) bekannt, werden häufig in großen Photovoltaikanlagen wie Solarparks oder kommerziellen Solarprojekten eingesetzt. Diese Wechselrichter sind für die Verarbeitung hoher Gleichstromeinspeisungen von mehreren Solarmodulsträngen oder -feldern ausgelegt und wandeln diese in Wechselstrom für den Netzanschluss um. Das größte Merkmal ist die hohe Leistung und die niedrigen Kosten des Systems. Da jedoch die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom verschiedener PV-Strings oft nicht genau aufeinander abgestimmt sind (insbesondere wenn die PV-Strings aufgrund von Bewölkung, Schatten, Flecken usw. teilweise im Schatten liegen), führt die Verwendung eines zentralen Wechselrichters zu einer geringeren Effizienz des Wechselrichterprozesses und zu einem geringeren Stromverbrauch im Haushalt. Zentrale Wechselrichter verfügen im Vergleich zu anderen Typen typischerweise über eine höhere Leistungskapazität, die von mehreren Kilowatt bis zu mehreren Megawatt reicht. Sie werden an einem zentralen Standort oder einer Wechselrichterstation installiert und mehrere Stränge oder Arrays von Solarmodulen parallel an sie angeschlossen. Was macht ein Solarwechselrichter? Photovoltaik-Wechselrichter erfüllen mehrere Funktionen, darunter die Wechselstromumwandlung, die Optimierung der Solarzellenleistung und den Systemschutz. Zu diesen Funktionen gehören automatischer Betrieb und Abschaltung, maximale Leistungsnachführung, Anti-Islanding (für netzgekoppelte Systeme), automatische Spannungsanpassung (für netzgekoppelte Systeme), Gleichstromerkennung (für netzgekoppelte Systeme) und Gleichstrom-Erdungserkennung (für netzgekoppelte Systeme). Lassen Sie uns kurz auf die automatische Betriebs- und Abschaltfunktion sowie die maximale Leistungsnachführung eingehen. 1) Automatische Betriebs- und Abschaltfunktion Nach Sonnenaufgang nimmt die Intensität der Sonneneinstrahlung allmählich zu, und die Leistung der Solarzellen steigt entsprechend. Sobald die vom Wechselrichter benötigte Ausgangsleistung erreicht ist, startet dieser automatisch. Nach dem Start überwacht der Wechselrichter die Leistung der Solarzellenkomponenten kontinuierlich. Solange die Ausgangsleistung der Solarzellenkomponenten größer ist als die vom Wechselrichter benötigte Ausgangsleistung, läuft er weiter. Bis zum Sonnenuntergang funktioniert der Wechselrichter auch bei Regen. Wenn die Leistung des Solarzellenmoduls abnimmt und die Leistung des Wechselrichters nahe Null liegt, wechselt er in den Standby-Modus. 2) Maximale Leistungsverfolgungs-Kontrollfunktion Die Leistung eines Solarmoduls variiert mit der Intensität der Sonneneinstrahlung und der Temperatur des Moduls selbst (Chiptemperatur). Da die Spannung eines Solarmoduls mit steigendem Strom abnimmt, gibt es einen optimalen Betriebspunkt, an dem die maximale Leistung erzielt werden kann. Mit der Intensität der Sonneneinstrahlung ändert sich auch der optimale Betriebspunkt. Der Betriebspunkt des Solarmoduls liegt daher stets am maximalen Leistungspunkt, und das System erzielt stets die maximale Leistung. Diese Art der Steuerung wird als Maximum-Power-Tracking-Regelung bezeichnet. Das wichtigste Merkmal des in Solarstromerzeugungssystemen verwendeten Wechselrichters ist die Maximum-Power-Point-Tracking-Funktion (MPPT). Die wichtigsten technischen Indikatoren des Photovoltaik-Wechselrichters 1. Stabilität der Ausgangsspannung In einer Photovoltaikanlage wird die von der Solarzelle erzeugte elektrische Energie zunächst in der Batterie gespeichert und anschließend über den Wechselrichter in 220 V oder 380 V Wechselstrom umgewandelt. Die Batterie lädt und entlädt sich jedoch selbst, und ihre Ausgangsspannung schwankt in einem großen Bereich. Beispielsweise kann die Spannung einer 12-V-Batterie zwischen 10,8 und 14,4 V schwanken (außerhalb dieses Bereichs kann die Batterie beschädigt werden). Bei einem geeigneten Wechselrichter sollte die Abweichung der stationären Ausgangsspannung bei Änderungen der Eingangsspannung innerhalb dieses Bereichs ± 5 % des Nennwerts nicht überschreiten. Gleichzeitig sollte die Abweichung der Ausgangsspannung bei plötzlichen Laständerungen nicht mehr als ± 10 % über dem Nennwert liegen. 2. Wellenformverzerrung der Ausgangsspannung Bei Sinus-Wechselrichtern sollte die maximal zulässige Wellenformverzerrung (oder der Oberwellengehalt) angegeben werden. Sie wird üblicherweise durch die Gesamtwellenformverzerrung der Ausgangsspannung ausgedrückt und sollte 5 % nicht überschreiten (bei einphasigem Ausgang sind 10 % zulässig). Da der vom Wechselrichter abgegebene Oberwellenstrom höherer Ordnung zusätzliche Verluste wie Wirbelströme an der induktiven Last erzeugt, führt eine zu große Wellenformverzerrung des Wechselrichters zu einer starken Erwärmung der Lastkomponenten, was der Sicherheit elektrischer Geräte nicht förderlich ist und die Betriebseffizienz des Systems erheblich beeinträchtigt. 3. Nennausgangsfrequenz Bei Lasten mit Motoren, wie Waschmaschinen, Kühlschränken usw., liegt der optimale Frequenzbetriebspunkt der Motoren bei 50 Hz. Zu hohe oder zu niedrige Frequenzen führen zu einer Erwärmung der Geräte, was die Betriebseffizienz und Lebensdauer des Systems verringert. Daher sollte die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters einen relativ stabilen Wert aufweisen, normalerweise die Netzfrequenz von 50 Hz, und ihre Abweichung sollte unter normalen Betriebsbedingungen innerhalb von 1 % liegen. 4. Lastleistungsfaktor Beschreiben Sie die Leistungsfähigkeit des Wechselrichters bei induktiver oder kapazitiver Last. Der Lastleistungsfaktor des Sinus-Wechselrichters beträgt 0,7 bis 0,9, der Nennwert 0,9. Bei einer bestimmten Lastleistung erhöht sich die Kapazität des benötigten Wechselrichters, wenn der Leistungsfaktor niedrig ist. Dies führt einerseits zu höheren Kosten und andererseits zu einer Erhöhung der Scheinleistung des Wechselstromkreises der Photovoltaikanlage. Mit steigendem Strom steigen zwangsläufig die Verluste, und auch die Systemeffizienz sinkt. 5. Wechselrichtereffizienz Der Wirkungsgrad eines Wechselrichters gibt das Verhältnis seiner Ausgangsleistung zur Eingangsleistung unter bestimmten Betriebsbedingungen an und wird in Prozent angegeben. Der Nennwirkungsgrad eines Photovoltaik-Wechselrichters bezieht sich im Allgemeinen auf eine reine Widerstandslast. Dies gilt unter der Voraussetzung eines Lastwirkungsgrads von 80 %. Da die Gesamtkosten einer Photovoltaikanlage hoch sind, sollte der Wirkungsgrad des Wechselrichters maximiert werden, um die Systemkosten zu senken und das Preis-Leistungs-Verhältnis der Anlage zu verbessern. Derzeit liegt der Nennwirkungsgrad gängiger Wechselrichter zwischen 80 % und 95 %, während der Wirkungsgrad von Wechselrichtern mit geringerer Leistung mindestens 85 % betragen darf. Beim Entwurf einer Photovoltaikanlage sollte nicht nur ein Wechselrichter mit hohem Wirkungsgrad ausgewählt, sondern auch eine sinnvolle Systemkonfiguration vorgenommen werden, um die Last der Photovoltaikanlage möglichst nahe am besten Wirkungsgrad arbeiten zu lassen. 6. Nennausgangsstrom (oder Nennausgangskapazität) Gibt den Nennausgangsstrom des Wechselrichters innerhalb des angegebenen Lastleistungsfaktorbereichs an. Einige Wechselrichterprodukte geben die Nennausgangsleistung an, und ihre Einheit wird in VA oder kVA angegeben. Die Nennleistung des Wechselrichters ist das Produkt aus Nennausgangsspannung und Nennausgangsstrom bei einem Ausgangsleistungsfaktor von 1 (d. h. rein ohmscher Last). 7. Schutzmaßnahmen Ein Wechselrichter mit hervorragender Leistung sollte außerdem über umfassende Schutzfunktionen oder Maßnahmen verfügen, um mit verschiedenen anormalen Situationen umzugehen, die während der tatsächlichen Verwendung auftreten, um den Wechselrichter selbst und andere Komponenten des Systems vor Schäden zu schützen. 1) Unterspannungsversicherungskonto eingeben: Wenn die Eingangsklemmenspannung unter 85 % der Nennspannung liegt, sollte der Wechselrichter über einen Schutz und eine Anzeige verfügen. 2) Eingangsüberspannungsschutz: Wenn die Eingangsklemmenspannung höher als 130 % der Nennspannung ist, sollte der Wechselrichter über einen Schutz und eine Anzeige verfügen. 3) Überstromschutz: Der Überstromschutz des Wechselrichters sollte bei einem Kurzschluss der Last oder einem Stromüberschreitungsgrenzwert rechtzeitig eingreifen, um eine Beschädigung durch Stoßstrom zu verhindern. Übersteigt der Betriebsstrom 150 % des Nennwerts, sollte der Wechselrichter automatisch schützen. 4) Ausgangskurzschlussschutz Die Kurzschlussschutz-Aktionszeit des Wechselrichters sollte 0,5 s nicht überschreiten. 5) Verpolungsschutz am Eingang: Wenn die Plus- und Minuspole des Eingangsanschlusses vertauscht sind, sollte der Wechselrichter über eine Schutzfunktion und Anzeige verfügen. 6) Blitzschutz: Der Wechselrichter sollte über einen Blitzschutz verfügen. 7) Übertemperaturschutz usw. Darüber hinaus sollte der Wechselrichter bei Wechselrichtern ohne Spannungsstabilisierungsmaßnahmen auch über Maßnahmen zum Ausgangsüberspannungsschutz verfügen, um die Last vor Überspannungsschäden zu schützen. 8. Starteigenschaften Zur Charakterisierung der Anlauffähigkeit des Wechselrichters unter Last und des Verhaltens im dynamischen Betrieb. Der Wechselrichter soll einen zuverlässigen Anlauf unter Nennlast gewährleisten. 9. Lärm Komponenten wie Transformatoren, Filterinduktivitäten, elektromagnetische Schalter und Lüfter in leistungselektronischen Geräten erzeugen Geräusche. Bei normalem Betrieb des Wechselrichters sollte sein Geräuschpegel 80 dB nicht überschreiten, und der eines kleinen Wechselrichters sollte 65 dB nicht überschreiten. Auswahlfähigkeiten von Solarwechselrichtern