Neue Wechselrichter-Generation steigert Aufnahmefähigkeit PV-Industrie leistet ihren Beitrag zur Verbesserung der PV-Aufnahmefähigkeit der Verteilnetze

Solarstrom wird dezentral und fast ausschließlich auf der Verteilnetzebene, also den Mittel- und Niederspannungsnetzen, eingespeist. Über 98% aller PV-Anlagen sind an die Niederspannungsebene angeschlossen. 1,4% der PV-Anlagen hängen an der Mittelspannungsebene. Weniger als 0,03% aller Anlagen haben ihren Netzverknüpfungspunkt mit der Hochspannungsebene – hierbei handelt es sich ausschließlich um Großanlagen, d.h. PV-Anlagen mit einer Nennleistung im Multi-MW-Bereich.

Netzoptimierungen und Ausbau
Ein Ausbau der PV in Deutschland auf eine installierte Leistung von 52 GW im Jahr 2020, wie von der Bundesregierung im Nationalen Aktionsplan für Erneuerbare Energien vorgesehen, ist möglich. Allerdings wird der Ausbau von Netzoptimierungen, beziehungsweise Netzausbaumaßnahmen begleitet werden. „Die Optimierung und der Ausbau der Netze ist eine anspruchsvolle, aber lösbare Aufgabe“, sagt Prof. Dr. Torsten Henzelmann, Partner der Unternehmensberatung Roland Berger und Autor einer Studie zu dem Thema, die der Bundesverband Solarwirtschaft in Auftrag gegeben hat.
Im Rahmen einer Umfrage gaben Netzexperten von Verteilnetzbetreibern mit einer im Verhältnis zum Durchschnitt sehr hohen PV-Einspeisung die Nichteinhaltung des Spannungsbandes als hauptsächliches Problem bei einer sehr hohen PV-Einspeisung an. 77% der befragten Verteilnetzbetreiber mit sogenannten PV-Ballungszentren in ihrem Netzgebiet haben von Problemen mit der Nichteinhaltung des Spannungsbandes berichtet – diese Herausforderung ist bisher bis auf sehr wenige Ausnahmefällen in ländlichen Gebieten aufgetreten. Die Netzstruktur in ländlichen Gebieten ist deutlich weniger engmaschig als in Städten und daher auch weniger aufnahmefähig für PV.
Der von der PV-Industrie entwickelte blindleistungsregelungsfähige Wechselrichter setzt an dieser Stelle an und verbessert die Einhaltung des Spannungsbandes erheblich. Dadurch wird ein Großteil der klassischen Netzausbaumaßnahmen (Leiterverstärkung und -ausbau, leistungsstärkere und weitere Transformatoren) zur Gewährleistung der Einhaltung des Spannungsbandes überflüssig. Der Wechselrichter wird an der PV-Anlage installiert und kann dezentral durch Blindleistungsbereitstellung oder -entnahme auf das Spannungsband einwirken. Prof. Dr.-Ing Martin Braun vom Fraunhofer IWES in Kassel erläutert: „Unsere Netzberechnungen zeigen, dass die PV-Aufnahmefähigkeit der Niederspannungsnetze durch die Bereitstellung von Blindleistung deutlich erhöht und in einigen Fällen auch mehr als verdoppelt werden kann“. Die neue Wechselrichter-Generation soll 2011 zur Verfügung stehen.

Qualitätskriterien für Wechselrichter
Oft wird der Begriff „Wirkungsgrad“ mit dem Wert des Umwandlungswirkungsgrades gleichgesetzt. Eine aussagekräftige Angabe für den Wirkungsgrad liefert jedoch der Gesamtwirkungsgrad η_tot, der sich aus zwei Werten zusammensetzt: dem Umwandlungs- und dem Anpassungswirkungsgrad.


Zusammensetzung des Gesamtwirkungsgrades.

Der Umwandlungswirkungsgrad
Der Umwandlungswirkungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsleistung und damit die Qualität der Leistungselektronik. Gängige Angaben sind dabei der maximale Wirkungsgrad und der europäische Wirkungsgrad. Der europäische Wirkungsgrad wird nach folgender Formel berechnet:

η_EU = 0,03 · η_5% + 0,06 · η_10% + 0,13 · η20% + 0,1 · η_30% + 0,48 · η_50% + 0,2 · η_100%
Die Werte werden bei einer beliebigen PV-Spannung in sechs Abstufungen zur nominellen Leistung aufgenommen.

Der Euro-Eta weist jedoch einige Mängel auf. So wird die Leistungsreduzierung aufgrund höherer Modultemperaturen nicht  berücksichtigt, eine Unter- oder Überdimensionierung des PV-Generators außer Acht gelassen und die Gewichtungsfaktoren aus Stunden-Mittelwerten der Einstrahlung berechnet.

Der Anpassungswirkungsgrad
Der Anpassungswirkungsgrad beschreibt die Fähigkeit des Wechselrichters, die vom PV-Generator angebotene Energie umzuwandeln. Er ist ein Merkmal zur Bewertung der Regeleigenschaften des MPP-Trackers.
Temperatur und Einstrahlung sowie das statische und dynamische Verhalten des MPP-Trackers sind von Bedeutung. Die Tracking-Geschwindigkeit gibt Aufschluss über die Fähigkeit, den Einfluss von schnellen und unerwartet auftretenden Änderungen der Einstrahlung (z. B. durch vorbeiziehende Wolken) zu erfassen. Das Mismatching der Module wird durch den Anpassungswirkungsgrad nicht beschrieben.
Der statische MPP-Tracking-Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen der vom Wechselrichter effektiv aufgenommenen DC-Energie zu der in dieser Zeit vom PV-Generator bereitgestellten DC-Energie bei konstanten Bedingungen. Der dynamische Wirkungsgrad ist dagegen die Summe der MPP-Energien, die unter temporär wechselnden Bedingungen auf verschiedenen Leistungsstufen absorbiert werden, im Verhältnis zu der jeweils theoretisch maximal möglichen DC-Energie.
Folgende Faktoren beeinflussen das statische Verhalten des MPP-Trackers und können zu Ertragsminderung führen:

• systematisch falsche MPP-Bestimmung der DC-Spannung,
• starke Abweichung vom MPP bei bestimmten Tracking-Verfahren,
• großer 100-Hz-Rippel bei einphasigen Wechselrichtern,
• Leistungsbegrenzung, die den MPP abschneidet,
• MPP außerhalb des Spannungsbereiches,
• MPP-Tracking auf lokale Maxima bei Teilabschattungen.

Gute Wechselrichter erreichen für die statische Anpassung Wirkungsgrade von über 99,2 %.

Das dynamische Verhalten eines MPP-Trackers hängt ab von diesen Faktoren:

• statischer MPP-Wirkungsgrad,
• Änderung der MPP-Spannung,
• MPP-Tracking-Geschwindigkeit,
• korrekte Funktion des MPP-Tracking-Algorithmus,
• Stabilität des Wechselrichters,
• statistische Häufigkeit dynamischer Änderungen.

Gute Geräte erreichen dabei Werte im Bereich von über 99,1 %.

Die Temperatur eines PV-Moduls hat zwar einen direkten Einfluss auf die Spannung und damit auf das MPP-Tracking, wirkt sich aber aufgrund der thermischen Masse der PV-Module nur geringfügig auf die MPP-Tracking-Geschwindigkeit aus. Der Einfluss von wechselnder Einstrahlung ist ebenfalls vernachlässigbar, wenn sich die Änderungen in geringem Maße bewegen, also bei dauerhaft klarem Himmel auf hohem und bei dauerhaft bewölkten Tagen auf niedrigem Niveau.
An klaren Tagen mit vorbeiziehenden Wolken ändert sich die Einstrahlung in kürzester Zeit. Bei Änderungen zwischen 300 W/m²
und 1000 W/m² ist ihre Auswirkung auf die MPP-Spannung nicht sehr hoch. Allerdings bewirkt der Übergang von niedriger zu höherer Einstrahlung punktuell große und schnelle Sprünge der MPP-Spannung. Die meisten MPP-Tracking-Verfahren können diesen schnellen Änderungen nicht folgen. Dennoch bewirken diese über das Jahr gesehen nur sehr geringe Ertragseinbußen. Daher ist es nicht notwendig, dass die Tracking-Geschwindigkeit diesen schnellen Änderungen folgen kann. Eine Geschwindigkeit von cirka 1% der MPP-Spannung pro Sekunde ist prinzipiell ausreichend.
Der Anpassungswirkungsgrad wirkt sich auf den Ertrag einer PV-Anlage aus. Der MPP-Tracker arbeitet besser etwas langsamer und korrekt als schneller und falsch.


Typischer Lebenszyklus eines Geräts.

Verfügbarkeit und Ausfallraten
Neben hohen Wirkungsgraden ist die Verfügbarkeit des Wechselrichters ein entscheidendes Qualitätskriterium. Sie wird häufig anhand der Ausfallraten, genauer der MTBF (Mean time between failures) angegeben. Dabei handelt es sich um eine Angabe der Zeitspanne zwischen zwei Ausfällen, die nicht auf den Verschleiß von Bauteilen zurückzuführen sind. Der Lebenszyklus eines Gerätes wird typischerweise mit der sogenannten „Badewannenkurve“ dargestellt.
Diese Kurve beschreibt den Verlauf der Ausfallwahrscheinlichkeiten von Komponenten und Geräten. Zu Beginn sind verstärkte Frühausfälle zu erwarten, die auf fehlerhafte Bauteile und Fehler in der Fertigung zurückzuführen sind. Diese werden normalerweise durch Burn-in- und In-Circuit-Tests verhindert. In der Phase der statistischen Ausfälle ist die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen nur gering. Sie liegt bei einem Wert von λ_stat. Der Kehrwert beschreibt die MTBF. Nach dieser Phase erhöhen sich die Ausfallwahrscheinlichkeiten aufgrund von Verschleißerscheinungen in zunehmendem Maße. Ab einem Wert von λ_x gilt die Lebensdauer als überschritten.
Die MTBF ist eine statistische Größe und wird in FIT (failures in time) angegeben. Sie kann berechnet oder durch Feldtests ermittelt werden, was jedoch teurer ist. Die Bestimmung der MTBF hängt vor allem von den Umgebungsbedingungen für das betroffene Bauteil bzw. Gerät ab (Strom- und Spannungsbelastung, Umgebungstemperatur). Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Werte zu berechnen. Einige Hersteller verwenden dafür die Normen MIL-HDBK-217, SN 29500 und IEC62380. Allen drei Methoden gemeinsam ist, dass die MTBF für ein Gesamtgerät aus der Summe der MTBF-Werte aller Einzelbauteile bestimmt wird.
Für die Berechnung der Werte einzelner Komponenten werden jeweils Basisdaten zugrunde gelegt, die aus groß angelegten Feldtests bei Referenzbedingungen festgelegt wurden. Über Umrechnungsfaktoren werden daraus die Werte für ein einzelnes Bauteil bei den gegebenen Bedingungen (Temperaturen, Spannung und Strom) ermittelt. Die drei Vorschriften unterscheiden sich hauptsächlich in den zugrunde liegenden Basisdaten, die nach unterschiedlichen Kriterien aufgenommen wurden, und den jeweiligen Umrechnungsfaktoren. Die Berechnungen der MTBF-Werte für einen Wechselrichter des Nekarsulmer Herstellers haben auf der Basis der angegebenen Normen Werte ergeben, die im Bereich von 7 498 500 Stunden liegen. Dies verspricht eine hohe Lebensdauer der Geräte.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei verschiedenen Rechenmethoden teils gravierende Unterschiede zwischen den angewendeten Verfahren auftreten und die Ergebnisse sehr stark voneinander abweichen. Auf theoretisch ermittelte Werte ist daher nicht immer Verlass. Insbesondere für die Zuverlässigkeit von PV-Wechselrichtern spielen einige Einflussfaktoren eine wichtige Rolle, die durch die Berechnungen nicht berücksichtigt werden. Die Verfügbarkeit der Geräte hängt sehr stark von den Bedingungen ab, die sich im Zusammenspiel mit den weiteren Komponenten einer PV-Anlage ergeben. So können Fehler auftreten, die aufgrund von fehlerhaften Auslegungen entstehen oder auch Ausfälle durch externe Einflüsse (z. B. Überspannungen durch Blitzeinschläge). Zudem beeinflussen qualitativ minderwertige Komponenten in einer PV-Anlage die Ausfallwahrscheinlichkeit eines Wechselrichters.
Die Werte aus Berechnungen können Anhaltspunkt für die Qualität eines Geräts liefern, haben jedoch nicht viel mit den Ausfällen von Wechselrichtern in realen PV-Anlagen zu tun. Die Erfahrungen aus realen Anlagen sind nicht zu ersetzen und bieten wertvolle Hinweise auf die Zuverlässigkeit der Geräte.

Ertragsverluste durch Trennung vom Netz
Unter bestimmten Netzbedingungen müssen sich Wechselrichter vom Netz trennen. Die Abschaltzeit beträgt dabei in Deutschland 180 Sekunden. In schwachen Netzen oder bei falsch eingestellten Parametern kommt es vor, dass sich Wechselrichter relativ häufig vom Netz trennen. Eine unnötige Netztrennung pro Stunde bewirkt Ertragseinbußen von bis zu 8 %. Notwendig ist daher eine zuverlässige und stabile Netzüberwachung im Wechselrichter, die nur dann das Gerät vom Netz trennt, wenn dies auch tatsächlich notwendig ist. Viele Wechselrichter arbeiten mit zuverlässigen Algorithmen, die dafür sorgen, dass diese unnötigen Netzabschaltungen auf ein Minimum begrenzt werden. Dies trägt maßgeblich zu hohen Energieerträgen von PV-Anlagen bei.

Mehrere Faktoren zählen
Ein Wechselrichter sollte nicht ausschließlich an seinem Umwandlungswirkungsgrad gemessen werden, sondern im Zusammenspiel von Wirkungsgraden und hoher Verfügbarkeit des Gerätes bzw. der gesamten PV-Anlage. Insbesondere der Anpassungswirkungsgrad spielt für hohe Erträge einer PV-Anlage eine wichtige Rolle.
Auskunft über die Zuverlässigkeit von Wechselrichtern geben die Berechnungen der MTBF, über die theoretische Aussagen zur Ausfallwahrscheinlichkeit des Gerätes möglich werden. Allerdings ergeben sich durch verschiedene Methoden deutlich unterschiedliche Aussagen. Zudem werden zahlreiche Einflussfaktoren, die beim Betrieb eines PV-Wechselrichters vorliegen, nicht berücksichtigt. Felddaten von realen PV-Anlagen sind aussagekräftiger.
Wechselrichter mit sehr hohen Wirkungsgraden, die ständig ausfallen, werden im Vergleich weniger Ertrag bringen, als Geräte, die zuverlässig laufen. Daher sind eine hohe Verfügbarkeit und eine zuverlässige Überwachung im Wechselrichter für hohe Erträge unabdingbar.

Autor: Martin Frick, Produktmanager bei KACO new energy GmbH, Neckarsulm