Welche Rolle spielt der Wechselrichter in einem Photovoltaik-Kraftwerk und wie funktioniert er?

Wenn das öffentliche Stromnetz abgeschaltet wird, entspricht dies einem Kurzschluss. In diesem Fall wird der netzgekoppelte Wechselrichter automatisch vor Überlastung geschützt. Erkennt der Mikroprozessor eine Überlastung, blockiert er nicht nur das SPWM-Signal, sondern schaltet auch den mit dem Netz verbundenen Leistungsschalter ab. Liefert die Solarbatterie in diesem Zustand Energie, arbeitet der Wechselrichter im Standby-Modus. Die Steuerung im Standby-Modus ist relativ einfach: Es wird eine negative Rückkopplung der Wechselspannung verwendet. Der Mikroprozessor erfasst die Ausgangsspannung des Wechselrichters, vergleicht sie mit der Referenzspannung (üblicherweise 220 V) und steuert anschließend das Tastverhältnis des PWM-Ausgangssignals, um einen stabilen Betrieb des Wechselrichters zu gewährleisten.

• Die Voraussetzung für den autarken Betrieb ist natürlich, dass die Solaranlage zu diesem Zeitpunkt ausreichend Strom liefert. Bei zu hoher Last oder unzureichender Sonneneinstrahlung kann der Wechselrichter nicht genügend Leistung abgeben, wodurch die Klemmenspannung der Solarzellen sinkt. Dies reduziert die Ausgangswechselspannung und führt zum Unterspannungsschutz. Sobald die Netzversorgung wiederhergestellt ist, schaltet das System automatisch in den regenerativen Betrieb.

• Der Wechselrichter wandelt nicht nur Gleichstrom in Wechselstrom um, sondern optimiert auch die Leistung der Solarzellen und schützt vor Systemausfällen. Zusammenfassend verfügt er über automatische Betriebs- und Abschaltfunktionen, eine Maximum-Power-Tracking-Funktion, einen Schutz vor Inselbetrieb (für netzgekoppelte Systeme), eine automatische Spannungsanpassung (für netzgekoppelte Systeme), eine Gleichstromerkennung (für netzgekoppelte Systeme) und eine Gleichstrom-Erdungserkennung (für netzgekoppelte Systeme).

Nach Sonnenaufgang nimmt die Intensität der Sonneneinstrahlung allmählich zu, und die Leistung der Solarzellen steigt entsprechend. Sobald die vom Wechselrichter benötigte Ausgangsleistung erreicht ist, schaltet sich dieser automatisch ein. Nach dem Einschalten überwacht der Wechselrichter kontinuierlich die Leistung der Solarzellen. Solange die Leistung der Solarzellen die vom Wechselrichter benötigte Leistung übersteigt, läuft der Wechselrichter bis zum Sonnenuntergang, auch an bewölkten und regnerischen Tagen. Sinkt die Leistung der Solarzellen und nähert sich die Ausgangsleistung des Wechselrichters null, schaltet dieser in den Standby-Modus.

Die Leistung eines Solarmoduls variiert mit der Intensität der Sonneneinstrahlung und der Temperatur des Moduls (Chiptemperatur). Da die Spannung des Solarmoduls mit steigendem Strom abnimmt, existiert ein optimaler Betriebspunkt, an dem die maximale Leistung erzielt wird. Mit der Änderung der Sonneneinstrahlung ändert sich auch dieser optimale Betriebspunkt. Im Vergleich zu diesen Änderungen liegt der Betriebspunkt des Solarmoduls stets am Punkt maximaler Leistung (MPP), sodass das System immer die maximale Leistung aus dem Solarmodul gewinnt. Diese Regelungsart wird als Maximum Power Point Tracking (MPPT) bezeichnet. Die wichtigste Funktion von Wechselrichtern in Solarenergieanlagen ist die MPPT-Funktion.

Bevor der netzgekoppelte Wechselrichter Strom erzeugt, muss er Strom aus dem Netz beziehen und Spannung, Frequenz, Phasenfolge usw. erfassen. Anschließend wird er zur Stromerzeugung an das Netz angeschlossen.

Wenn ein Unfall oder eine Störung im Stromnetz einen Spannungseinbruch am Netzanschlusspunkt des Photovoltaik-Kraftwerks verursacht, kann das Photovoltaik-Kraftwerk innerhalb eines bestimmten Spannungsabfallbereichs und innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls einen kontinuierlichen Betrieb ohne Netzausfall gewährleisten.

Im Normalbetrieb ist die netzgekoppelte Photovoltaikanlage an das Stromnetz angeschlossen und speist Wirkleistung ein. Fällt das Stromnetz jedoch aus, kann die Anlage unabhängig von der lokalen Last weiterarbeiten. Dieses Phänomen wird als Inselbetrieb bezeichnet. Ein Inselbetrieb birgt erhebliche Sicherheitsrisiken für Personen, den Netzbetrieb und den Wechselrichter selbst. Daher schreibt die Norm für netzgekoppelte Wechselrichter vor, dass diese über Funktionen zur Erkennung und Steuerung des Inselbetriebs verfügen müssen.