5 Neue Wechselrichterserie für netzgekoppelte Solarstromanlagen

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Neue Wechselrichterserie für
netzgekoppelte Solarstromanlagen
Iris Krampitz
Wechselrichter wandeln den von den Solarzellen erzeugten Gleichstrom in
Wechselstrom um, damit er in das öffentliche Netz eingespeist werden kann.
Außerdem passen sie die Frequenz und Spannung des Solarstroms an das
Wechselstromnetz an. Doch nicht jedes Wechselrichtermodell ist auch für jede
Solaranlage geeignet. Entscheidend für die Auswahl ist zunächst vor allem die
Leistung des Solargenerators.
Für Solaranlagen im kleinen bis mittleren Leistungsbereich werden in der Regel
Strangwechselrichter eingesetzt. Bei diesem Konzept werden mehrere, gleichmäßig zur Sonne ausgerichtete Solarmodule in einem Strang zusammengefasst, bevor sie mit dem Wechselrichter verbunden werden. Für größere Anlagen sind dagegen Zentralwechselrichter sinnvoll. Bei diesem Wechselrichterkonzept werden sehr viele Solarmodule in Reihe geschaltet, um eine hohe
Gleichspannung zu erzielen. Dabei werden entsprechend der Anlagengröße
auch mehrere Stränge parallel verschaltet.
5.1 Transformatorlos:
hoher Wirkungsgrad, geringes Gewicht
Sehr hohe Wirkungsgrade – sowohl bei Strang-, als auch bei Zentralwechselrichtern - werden mit transformatorlosen Wechselrichtern erreicht. Denn bei
diesem Konzept können die Gleichspannungen, die oberhalb der Netzscheitelspannung liegen, mit einer einzigen Wandlerstufe ins Netz gespeist werden.
Dadurch werden die Verluste reduziert, der Wirkungsgrad wird erhöht, und das
wirkt sich natürlich auch auf den Ertrag aus. Außerdem sind transformatorlose
Wechselrichter leichter, langlebiger, zuverlässiger und weniger störempfindlich,
weil sie aus weniger Komponenten bestehen als Geräte mit Transformator.
Schon 1994 stellte Sputnik Engineering AG den weltweit ersten transformatorlosen PV-Wechselrichter vor. Mittlerweile haben transformatorlose Geräte einen
Marktanteil von etwa 70 Prozent erreicht.
Auch die neuen Wechselrichter der SolarMax-S-Serie sind transformatorlos
aufgebaut. Während die Strangwechselrichter der neuen Serie seit 2008 mit
Leistungen von 1,8 bis 4,6 Kilowatt gebaut werden, sind die Zentralwechselrichter mit Leistungen von 20 beziehungsweise 35 Kilowatt verfügbar. Bei der Weiterentwicklung wurde besonderer Wert auf die einfache Handhabung und eine
maximale Verfügbarkeit gelegt.
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5.2 Die neuen Strangwechselrichter
Statt der bisher verwendeten Einrichtung zur Netzüberwachung mit Impedanzmessung (ENS) nutzt Sputnik bei den Strangwechselrichtern der neuen Serie
das aus den USA bekannte Schwingkreisverfahren, um einen ungewollten
Inselbetrieb zu vermeiden. Bei diesem Verfahren verursacht man periodische
Phasensprünge des eingespeisten Netzstroms und prüft, ob unter den verschiedenen Netzbedingungen eine deutliche Detektion möglich ist. Zwei Perioden nach Aufbringen des Phasensprungs wird der Winkel zwischen Strom und
Spannung gemessen. Ist die Spannung dem Phasenversatz des Stroms weitgehend gefolgt, liegt ein Inselbetrieb vor. Seit Inkrafttreten der neuen Vornorm
DIN-VDE 0126-1-1 ist diese Methode auch in Deutschland zugelassen. Mit dem
neuen Verfahren laufen die SolarMax-Wechselrichter jetzt noch stabiler.
Abb. 5.1:
Strangwechselrichter
Um den Klirrfaktor weiter zu reduzieren, wird die Stromform bei der neuen
Wechselrichterserie digital geregelt. Sowohl unerwünschte Oberwellen als
auch die DC-Komponente auf den AC-Strom werden dadurch reduziert. Dank
eines verbesserten Kühlkonzepts speisen die neuen Strangwechselrichter jetzt
auch bei Umgebungstemperaturen von bis zu 45° Celsius 100 Prozent ihrer
Leistung ein. Und das bei einem Wirkungsgrad von bis zu 97 Prozent.
Dank eines neuen Herstellungsverfahrens bringen die Strangwechselrichter
jetzt deutlich weniger auf die Waage: Im Vergleich zu ihren Vorgängermodellen
sind sie bei gleicher Nennleistung bis zu 2,3 Kilogramm leichter. Zusätzlich wird
die Handhabung noch durch eine Montageschiene erleichtert, in die man die
Wechselrichter ganz einfach einhängen kann. Sämtliche Anschlüsse – auch der
Fehlermeldekontakt – sind jetzt von außen steckbar angebracht. Ob bei der
Montage, der Inbetriebnahme oder auch beim Wechseln des Außenlüfters – ein
Öffnen des Wechselrichters entfällt.
Standardmäßig verfügen die Strangwechselrichter der neuen Serie neben einer
RS485- jetzt auch über eine Ethernetschnittstelle. Neu ist ferner ein Graphikdis50
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play, das über drei Tasten bedient werden kann. Das Aluminiumgehäuse entspricht der Schutzart IP 54 und eignet sich sowohl für die Innen- als auch für die
Außenanwendung. Künftig ist es nicht mehr grau, sondern leuchtet in sonnengelber Farbe. Der nach der neuen Norm DIN-VDE 0100-712 vorgeschriebene
DC-Trennschalter ist bei der neuen S-Serie bereits integriert.
5.3 Die neuen Zentralwechselrichter
Die neuen Zentralwechselrichter bringen im Vergleich zu ihren Vorgängern
sogar nur noch ein Drittel auf die Waage. Denn was sich bei den Strangwechselrichtern bereits seit langem bewährt hat, wurde jetzt auch in einem größeren
Leistungsbereich umgesetzt: Bei den Zentralwechselrichtern konnte auf einen
Transformator verzichtet werden. Das bringt nicht nur eine schlankere Bauform,
sondern auch einen höheren Wirkungsgrad: Die Geräte erreichen Wirkungsgrade von mehr als 96,5 Prozent und wiegen lediglich 100 beziehungsweise
130 Kilogramm.
Abb. 5.2:
Zentralwechselrichter
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Neu ist auch die digitale Sinusstromformregelung, dank derer die Wechselrichter alle Anforderungen an eine hohe Netzqualität erfüllen.
Wie alle Zentralwechselrichter von Sputnik speisen auch die neuen Geräte
ihren Strom dreiphasig ins Netz ein. Weil es sich um echte dreiphasige Geräte
handelt – und nicht um drei einphasige Geräte – wird der Null-Leiter nicht belastet. Der Wechselrichter passt sich sehr schnell an Netzsprünge an. Auch im Störungsfall vermeiden die Wechselrichter eine asymmetrische Netzeinspeisung.
Unabhängig vom Netz ist ihr Klirrfaktor sehr niedrig. Das neu entwickelte Wechselrichterkonzept sorgt dafür, dass praktisch keine AC-Ableitströme auf dem
Photovoltaikgenerator entstehen. Die Potentiale am Photovoltaikgenerator
gegenüber Erde weisen keine niederfrequenten AC-Anteile auf.
Ein weiterer Vorteil: Dreiphasige Wechselrichter müssen keine hohen Strommengen in Kapazitäten zwischenspeichern. Auf den Einsatz von Elektrolytkondensatoren konnte Sputnik daher vollständig verzichten. Bei der neuen SolarMax-S-Serie werden ausschließlich Folienkondensatoren eingesetzt, was die
Lebensdauer deutlich erhöht. Denn im Unterschied zu Kondensatoren, die mit
flüssigen Elektrolyten arbeiten, kann bei Folienkondensatoren nichts austrocknen.
Für zusätzliche Sicherheit sorgt bei den neuen transformatorlosen Zentralwechselrichtern die dreiphasige Spannungsüberwachung. Da die Geräte mit der so
genannten Vektorregelung arbeiten – ein Standardverfahren aus der Antriebstechnik – erkennen sie sehr deutlich, ob das Netz vorhanden ist: Bei diesem
Verfahren wird keine Spannung, sondern ein Strom eingeprägt; die Spannung
steigt deutlich an, wenn das Netz nicht vorhanden ist und der Strom eingeprägt
wird. Ein sicheres Erkennen eines ungewollten Inselbetriebs ist somit jederzeit
gewährleistet. Der Ausfall einer Netzphase führt auf jeden Fall zum Abschalten
der Photovoltaikanlage. Im Unterschied zu der dreiphasigen Spannungsüberwachung mit Spannungssteuerung ermöglicht die neue Vektorregelung eine
unabhängige Stromformregelung der Phasenströme. Das Oberwellenverhalten
wird dabei optimiert, der Klirrfaktor weiter reduziert.
Neue Maßstäbe setzt Sputnik auch bei dem Kühlkonzept: Die Entwickler haben
die Elektronik von den Wärme erzeugenden Komponenten getrennt, sodass die
SolarMax-S-Wechselrichter äußerst temperaturbeständig arbeiten. Ihre Speicherdrosseln sind auf der Rückseite des Gehäuses untergebracht. Ein separater Luftstrom kühlt den Innenraum, der sich dadurch weniger stark aufheizt.
Durch die tieferen Betriebstemperaturen erhöht sich sowohl die Zuverlässigkeit
der Elektronik als auch die Lebensdauer. Wie die Strangwechselrichter der SSerie arbeiten auch die beiden neuen Zentralwechselrichter noch bei Umgebungstemperaturen von bis zu 45° Celsius mit ihrer vollen Nennleistung. Weil
sie ihre Leistung nicht reduzieren müssen, steigt der Ertrag.
Die Modulstränge lassen sich bei den SolarMax-S-Zentralwechselrichtern
sowohl über das integrierte Stringmodul mit MC-4-Stecker direkt, als auch über
einen externen Generatoranschlusskasten anschließen. DC-Trennschalter,
Netzüberwachung und eine Sicherungsüberwachung für die Stränge sind
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bereits integriert. Über das Grafikdisplay sind die standardmäßig mit Ethernetund RS-485-Schnittstellen ausgestatteten Geräte sehr leicht zu bedienen.
Weil die Wechselrichter im Temperaturbereich von -20 bis +45° Celsius arbeiten
und die Gehäuse der Schutzart IP 54 entsprechen, eignen sie sich sowohl für
die Innen- als auch für die Außenanwendung. Optional steht für die Zentralwechselrichter das Servicepaket MaxControl zur Verfügung, das den reibungslosen Betrieb und höchste Erträge während der gesamten Betriebszeit der
Solarstromanlage garantiert. Die integrierte Überwachungseinheit MaxWeb
überwacht alle angeschlossenen Geräte. Bei einer Störung wird der Betreiber
automatisch per Email oder SMS alarmiert.
Bildquellen: Sputnik Engineering
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