Was ist ein Solarwechselrichter und wie funktioniert er?

Wenn Sie darüber nachdenken, auf Solarenergie umzusteigen, haben Sie wahrscheinlich viel über die Module selbst gehört. Tatsächlich basieren Solarsysteme auf mehreren Schlüsselkomponenten, um Sonnenlicht in nutzbaren Strom umzuwandeln. Unter diesen spielt der Solarwechselrichter eine entscheidende Rolle.

Dieser Leitfaden führt Sie durch alles, was Sie über Wechselrichter wissen müssen, vom grundlegenden Umwandlungsprozess bis zu den fortschrittlichen Funktionen, die moderne Solarenergie ermöglichen.

Was ist ein Wechselrichter und warum benötigen Sie ihn für Solarmodule

Ein Wechselrichter ist im Wesentlichen ein elektronisches Gerät, das Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandelt. Seine Kernfunktion besteht darin, die kontinuierliche Spannung eines Gleichstromsystems (Photovoltaikgenerator, Energiespeichersystem oder Batterie) in ein Wechselstromsignal umzuwandeln, das von Geräten genutzt werden kann, die für den Verbrauch solcher Energie ausgelegt sind.

Da die meisten Alltagsgeräte Wechselstrom zum Betrieb benötigen, dient ein Wechselrichter als wesentlicher Wandler, der die Lücke zwischen Solarmodulen und Haushaltsgeräten schließt. Wenn Sonnenlicht auf die Module trifft, nimmt er den rohen Gleichstrom auf und wandelt ihn in den für Ihr Zuhause benötigten Wechselstrom um.

Moderne Solarwechselrichter sind fast ausschließlich Spannungsquellenwechselrichter (VSI), die die Gleichspannung von einem Solarmodul oder einer Batterie am Eingang mit einem Gleichstromkondensator stabilisieren und am Ausgang in eine kontrollierte Wechselspannung umwandeln, indem Halbleiterbauelemente in einer bestimmten Reihenfolge schnell geschaltet werden, um eine alternative Wellenform zu erzeugen.

Was macht ein Wechselrichter in einem Solarsystem

Während seine Hauptfunktion die Leistungsumwandlung ist, erfüllt ein moderner Solarwechselrichter auch 5 wesentliche Funktionen, die Ihr System sicher, stabil und effizient halten:

1. Gleichstrom-Leistungsaufbereitung

Solarmodule erzeugen Gleichstrom, aber ihre Spannung und Stromstärke schwanken mit der Sonnenintensität. Der Wechselrichter verwendet zunächst ein Maximum Power Point Tracking (MPPT) -Modul, um den Arbeitspunkt der Module anzupassen und sicherzustellen, dass sie immer mit ihrer maximalen Leistung arbeiten.

Der Gleichstrom durchläuft dann einen DC-Link-Kondensator, der Spannungsschwankungen glättet und die Gleichstromschiene stabilisiert, um eine konstante Spannung für die anschließende Wechselstromumwandlungsstufe zu erzeugen.

2. Gleichstrom- zu Wechselstromumwandlung

Die stabilisierte Gleichspannung vom DC-Link-Kondensator wird in die Schaltstufe des Wechselrichters eingespeist, die typischerweise als H-Brückenschaltung ausgeführt ist. Eine H-Brücke besteht aus vier Schaltern (IGBTs oder MOSFETs), die in Form eines "H" angeordnet sind und die Gleichspannung abwechselnd über den Ausgang umkehren, wodurch eine pulsierende Wechselstromwellenform erzeugt wird.

• Einphasenwechselrichter: Eine H-Brücke mit vier Schaltern erzeugt einen einzelnen Wechselstromausgang.
• Split-Phasen-Wechselrichter: Zwei H-Brücken erzeugen zwei Wechselstromausgänge mit 180° Phasenunterschied, die häufig in 120/240V-Systemen in Nordamerika verwendet werden.
• Drehstromwechselrichter: Jede Phase verfügt über eine eigene H-Brücke mit zwei Schaltern pro Phase, die drei Wechselstromausgänge (220V~415V oder 208V) mit 120° Phasenverschiebung erzeugt.

3. Wellenformfilterung und Steuerung

Die durch Hochfrequenzschaltung erzeugte Wechselstromwellenform ähnelt zunächst einer Rechteckwelle, die rau und für die meisten Geräte ungeeignet ist. Einige kostengünstige Wechselrichter geben eine modifizierte Sinuswelle aus, eine gestufte Version, die glatter ist, aber für empfindliche Elektronik immer noch nicht ideal.

Daher verwendet der Wechselrichter Modulationssteuerung und einen LC-Filter, der aus einer Induktivität und einem Kondensator besteht. Die Induktivität blockiert hochfrequente Störungen, während der Kondensator Spannungsschwankungen in der Wechselstromwellenform ausgleicht. Zusammen glätten sie den rauen Ausgang zu einer sauberen reinen Sinuswelle, die für Haushaltsgeräte oder Netzanschluss geeignet ist.

4. Spannungs-, Frequenz- und Phasenkontrolle

Nachdem die Wechselstromwellenform durch den LC-Filter geglättet wurde, überwacht der Wechselrichter kontinuierlich den Ausgang, um eine stabile Spannung, korrekte Frequenz und richtige Phase für jede Phasenleitung zu gewährleisten.

Der Wechselrichter misst die momentane Spannung und Wellenform jeder Phase und vergleicht sie mit einem Referenzsignal. Anschließend passt er die Schaltzeitpunkte der IGBTs oder MOSFETs mittels PWM an, um Phasenabweichungen zu korrigieren, die gewünschte Frequenz zu halten und die Spannungsstabilität entsprechend den Lastanforderungen der Nutzer sicherzustellen.

5. Netzinteraktion (modellabhängig)

Der Wechselrichter verwendet eine Phasenregelkreis-Schaltung (PLL), um kontinuierlich die Netzspannung, Frequenz und Phase zu überwachen. Die PLL zwingt die Ausgangssinuswelle des Wechselrichters, sich in Echtzeit an die Netzform anzupassen und diese perfekt zu synchronisieren.

Um Leistung zu exportieren erzeugt die Regelung des Wechselrichters dann eine Spannung, die Bruchteile eines Volts höher als das Netz ist, wodurch Strom nach außen fließt.

Für Anti-Inselbetrieb überprüft es ständig eine stabile Netzreferenz. Fällt das Netz aus, verschwindet diese Referenz, was eine schnelle Spannungs- oder Frequenzabweichung verursacht, die der Regler des Wechselrichters erkennt und innerhalb von Millisekunden eine Abschaltung auslöst.

Weitere Funktionen von Solarwechselrichtern je nach Typ

Zusätzlich zu den oben beschriebenen Kernfunktionen bieten verschiedene Arten von Solarwechselrichtern erweiterte Fähigkeiten, die sich aus ihrem physischen Design oder ihrer Systemarchitektur ergeben.

String-Wechselrichter

String-Wechselrichter sind die traditionelle Wahl und verwalten mehrere in Reihe geschaltete Paneele. Sie führen effektiv die oben beschriebenen fünf Kernfunktionen mit zentralisierten Steuerungsfunktionen aus. Alle Leistungsumwandlungen und Netzanschlüsse erfolgen an einem Ort, was Wartung und Systemdiagnose vereinfacht.

Mikro-Wechselrichter

Diese Architektur platziert einen kleinen, vollständigen Wechselrichter auf jedem einzelnen Panel. Diese "verteilte Intelligenz" ermöglicht granulare und pro-Panel-Überwachung:

Da jeder Mikro-Wechselrichter sein eigenes MPPT-Modul hat, kann er die Leistung jedes einzelnen Panels optimieren und die einzigartige Funktion bieten, die Echtzeit- und historische Leistung jedes einzelnen Solarpanels zu überwachen. Dies erleichtert die Fernidentifikation und Diagnose von leistungsschwachen Panels.

Hybride Wechselrichter

Ein Hybridwechselrichter ist ein fortschrittlicher Zentralwechselrichter, der mit zusätzlichen Komponenten und Software für einen Hauptzweck gebaut wurde: die Verwaltung einer Batterie.

• Bidirektionales Energiemanagement: Ein Hybridwechselrichter kann nicht nur Gleichstrom von Solar/Batterie in Wechselstrom für das Haus umwandeln, sondern auch Wechselstrom aus dem Netz zurück in Gleichstrom zur Batterieladung konvertieren.
• Backup-Strommodus: Die begehrteste Funktion ist die Fähigkeit, während eines Netzausfalls eine autarke Stromblase zu schaffen. Wenn ein Stromausfall erkannt wird, trennt er sich vom Netz und bildet eine stabile, unabhängige "Insel" aus Strom für Ihr Zuhause, die von den Solarpaneelen und der Batterie gespeist wird.
• Programmierbare Betriebsmodi: Hybridwechselrichter bieten softwarebasierte Funktionen, die es dem Hausbesitzer ermöglichen, zu steuern, wie und wann Energie genutzt wird, wie z. B. Selbstverbrauchsmodus und Time-of-Use (TOU) Arbitrage.

FAQs zum Solarwechselrichter

Was ist der Unterschied zwischen einem Wechselrichter und einem Konverter?

Ein Wechselrichter wandelt Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um, während der Ausgang eines Konverters Gleichstrom ist. Ersterer versorgt Haushaltsgeräte und das Stromnetz, letzterer ändert die Spannungsebene des Gleichstroms oder wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um. Obwohl beide Geräte elektrische Umwandlungen durchführen, sind ihre Rollen in einem Solarsystem unterschiedlich.

Funktionieren Solarpaneele während eines Stromausfalls?

Im Allgemeinen nicht. Die Sicherheitsprotokolle von Wechselrichtern beinhalten Anti-Islanding, das den Wechselrichter bei einem Netzausfall abschaltet, es sei denn, eine Batterie und ein Hybridwechselrichter werden als Backup verwendet.

Was verursacht "Inverter-Clipping"?

Inverter-Clipping tritt auf, wenn die Paneele mehr Leistung erzeugen als die maximale AC-Ausgangsleistung des Wechselrichters. Dieses bewusste Design gewährleistet Schutz und optimale Leistung.