Was Sie schon immer über Wechselrichter wissen wollten… •Aufbau und Bestandteile einer netzgekoppelten PV-Anlage •Wichtigste Wichtigste Merkmale von Wechselrichtern •Auslegungskriterien und typische Fehler •Optimierungsmöglichkeiten durch sinnvolle Wechselrichterwahl •Besondere Schaltungskonzepte Dipl. Ing. Udo Siegfriedt, DGS Berlin Brandenburg [email protected] Bestandteile einer netzgekoppelten Anlage Solargenerator DC-Verkabelung Wechselrichter AC-Anschluss und Zähler Aufgaben des Wechselrichter Betriebsführung Solargenerator (MPP Regelung) ggf. Potentialfestlegung Sicherheit (Isolationsmessung) Anpassung Spannungsniveaus Umwandlung in netzkonformen Wechselstrom Sicherheit (automatische Freischaltung) Schaltungskonzepte Wechselrichter + EingangsFilter Schaltregler Trafo Brücke Netzfrei schaltung Netzfilter L1 - selbstgeführter Wechselrichter mit NF-Transformator N Ansteuerung Schaltregler Ansteuerung Brücke PWM IstSollwertVergleich MPPRegler Temp U Solar Einphasige NetzüberÜber wachungsg wachung logik ENS 25 Wechselrichter mit HF-Trafo Meßtechnik Display Trafoloser Wechselrichter HF-Trafo HF Trafo >>330 V Welcher Wechselrichter ist der Richtige? (spezifischer) Preis g Leistungsbereich Eingangsspannungsbereich g g Eingangsströme Wirkungsgrad Besondere Funktionen (mehrere MPP Eingänge, MPP-Optimierungs-Suche…) Datenerfassung Einsatzbereich (outdoor, Modultyp) Service - Garantien Verfügbarkeit! Wirkungsgrade von Wechselrichtern ηum – Umwandlungswirkungsgrad η ηan – Anpassungswirkungsgrad (MPP-Wirkungsgrad) η ηWR – Gesamtwirkungsgrad η WR =η um ⋅η an = um an = PAusgang = PDC PMPP PEingang = PAC PDC PAC PDC P ⋅ = AC PDC PMPP PMPP Der Wirkungsgrad des Wechselrichters ist abhängig von seiner Auslastung. Auslastung = Verhältnis der Momentanleistung zur Nennleistung (P/PN) Die Momentanleistung ist abhängig von der momentanen Einstrahlung Der durchschnittliche Jahreswirkungsgrad ist somit Standortabhängig. η WR = f (P Pn ) PMPP = f (EPV ) Einstrahlung auf den Generator Einstrahlungsverhalten an verschiedenen Tagen Momentanwerte (Leistungen) und Stundenmittelwerte (Energie) an einem sonnigen und einem bewölkten Tag An leicht bewölkten Tagen treten die höchsten (kurzzeitigen) Leistungen auf Einstrahlungsenergie in Berlin Häufigkeit und Energie für eine südausgerichtete, 30° geneigte PV-Anlage Einstrahlungsenergie in Kalifornien Häufigkeit und Energie für eine südausgerichtete, 30° geneigte PV-Anlage Europäischer und kalifornischer Wirkungsgrad Aus dem Wirkungsgradverlauf wird der Wirkungsg grad für verschiedene Leistungsklassen ermittelt Für ein mitteleuropäisches p Klima wurde als gewichteter Wirkungsgrad der europäische p Wirkungsgrad g g definiert für südeuropäische Länder mit höheren Einstrahlungen g liefert der kalifornische Wirkungsgrad realistischere Ergebnisse Europäischer Wirkungsgrad η = 0,03 ∗η + 0,06 ∗η Euro 5% 10% + 0,13 ∗η 20% + 0,1 ∗η 30% + 0,48 ∗η 50% + 0,2 ∗η Kalifornischer Wirkungsgrad (ohne spannungsabhängige Mittelung) η CEC = 0,04 ∗η 10% + 0,05 ∗η 20% + 0,12 ∗η 30% + 0,21 ∗η 50% + 0,53 ∗η 75% 100% + 0,05 ∗η 100% Spannungsabhängige Wirkungsgrade Aufgrund der Spannungsabhängigkeit von Anpassungs- und Umwandlungswirkungsgrad ist der Gesamtwirkungsgrad spannungsabhängig Spannungsverhalten verschiedener Wechselrichter Auslegung Wechselrichter Leistungsauslegung Datenblattangaben Korrekturfaktoren für die Korrekturfaktoren Beispiel SOLON Blue 220/03: βL=-0,34 → βMPP=-0,34 – 0,11 βMPP=-0,45 Elektrosmog und Lärm Grenzwerte für elektromagnetische Felder und Messergebnisse an einer PV-Anlage g mit unterschiedlichen Wechselrichtern: • Geräuschentwicklung: – kleine WR bis ca. 3 kW: < 35 dBA – Großgeräte über 50 kW: > 60 dBA Installationsort des Wechselrichters Idealer Standort: Indoor • kühl • trocken • staubfrei • vor Dämpfen geschützt Outdoor: • mindestens IP 54 • vor direkter di kt Sonneneinstrahlung S i t hl und Regen geschützt zugänglich Wechselrichter mit Kühlsystem OptiCool Betriebsdatenerfassung und -auswertung ¾ Eingangsseitig: Spannung UDC , Strom IDC und Leistung PDC ¾ Ausgangsseitig: Spannung UAC , Strom IAC , Leistung PAC und Frequenz f ¾ Betriebsdauer des Wechselrichters ¾ Erzeugte Energiemenge ¾ Gerätestaus und Störungen ¾ neu: IU-Kennlinie des Generators Schnittstelle: seriell (RS 232) oder parallel (RS 485, CAN) Auswertungssoftware der Hersteller oder Fremdanbieter Betriebsdatenüberwachung von PV-Anlagen Einspeisemanagement Technik und Nachweis Datenlogger mit integriertem Einspeisemangement und separate herstellerspezifische Boxen Informationen zum Einsatz des Einspeisemanagements auf der Homepage des Energieversorgers Netzstützung durch Blindleistungsbereitstellung Direkte Mittelspannungseinspeisung im Großwechselrichterbereich Wechselrichterabschaltung durch hohe Netzspannung Wechselrichterarten und Baugrößen Zentraler Wechselrichter hoher Leistungsbereich (dreiphasig) SINVERTsolar 100 Konzept: SG mit NF-Trafo Pn DC = 93 kW UMPP = 460 – 700 V 1 325 x 950 x 850 mm 1.325 750 kg Strangwechselrichter Sunny Boy 2100 TL Konzept: trafolos SG Pn DC = 2 kW UMPP = 125 – 600 V 295 x 434 x 214 mm 25 kg k Zentraler Wechselrichter im kleinen Leistungsbereich ( einphasig) Top Class III – TCG 2500/6 Konzept: SG mit NF NF-Trafo Trafo Pn DC = 2,5 kW UMPP = 82 – 120 V 456 x 320 x 211 mm 22 kg Modulwechselrichter DMI 150/35 Konzept: SG mit NF-Tr. Pn DC = 120 W UMPP = 28 – 58 V 80 x 200 x 100 mm 2,8 kg Zentrales Wechselrichterkonzept Kleinspannungskonzept Zentraler Wechselrichter im kleinen Leistungsbereich ( einphasig) Top Class III – TCG 2500/6 K Konzept: t SG mitit NF NF-Trafo T f Pn DC = 2,5 kW UMPP = 82 – 120 V 456 x 320 x 211 mm 22 kkg SK I Gerät ist mit Schutzleiter verbunden SK II Schutzisolierung (doppelte oder verstärkte Isolierung) SK III Schutzkleinspannung (max. AC: 50 V, max. DC: 120 V PV- G enerrator PV - Generator Konzept mit höheren Spannungen Zentraler Wechselrichter im hohen Leistungsbereich ((dreiphasig) p g) SINVERTsolar 100 Konzept: SG mit NF-Trafo Pn DC = 93 kW UMPP = 460 – 700 V 1.325 x 950 x 850 mm 750 kg Strangwechselrichterkonzept Strangwechselrichter Sunny Boy SWR 2100 TL Konzept: trafolos SG Pn DC = 2 kW UMPP = 125 – 600 V 295 x 434 x 214 mm 25 kg Teilgeneratorkonzept PVTeilgenerator 1 PVTeilgenerator 2 ~ 1 MW PV-Anlage auf der Fortbildungsakademie Mont Cenis in Herne Strangwechselrichter auf dem Dach Master-Slave-Konzept Slave 1 Master PV-Generator Slave 2 1 MW PV-Anlage der Neuen Messe München (2003: Erweiterung um 1,2 MW) Modulwechselrichterkonzept Modulwechselrichter DMI 150/35 p mit NFKonzept:SG Trafo Pn DC = 120 W UMPP = 28 – 58 V 80 x 200 x 100 mm 2,8 kg ~ Karl Philipp Moritz Haus in Berlin Karl-Philipp-Moritz-Haus Berlin-Kreuzberg. Kreuzberg. Fassadenintegrierte PV-Anlage mit Modulwechselrichtern zur Einspeisung in die UV der Wohnungen Multistring / Parallelschaltung MultistringWechselrichter Parallelschaltungs-Konzept P ll l h lt K t bei Dünnschichtmodulen Verschattung und Bypassdioden Arbeitspunkte der beleuchteten und unbeleuchteten Zelle Alle in Reihe geschalteten Zellen weisen den gleich Strom auf Jede Zelle hat einen Arbeitspunkt, der auf ihrer Kennlinie liegt Sind nur wenige Zellen verschattet, verschattet geben die unverschatteten Zellen den Strangstrom vor Der Arbeitspunkt der beleuchteten Zellen bleibt (nahezu) gleich Der Arbeitspunkt der verschatteten Zelle ist beim gleichen Strom, aber b i negativer bei ti S Spannung Die Leistung der verschatteten Zelle ergibt sich aus dem Strangstrom und der (negativen) Spannung Die verschattete Zelle ist ein Verbraucher und muss die Leistung als Wärme abgeben g Verschaltungskonzepte bei Verschattung: String-Wechselrichter Verschattungssituation und Kennlinien bei Reihenschaltung Verschaltungskonzepte bei Verschattung: Zentralwechselrichter Verschattungssituation und Kennlinien bei Parallelschaltung und Verschattung in zwei Strängen Verschaltungskonzepte bei Verschattung: Zentralwechselrichter ungünstige Schattenverteilung Zentralwechselrichter, Verschattungssituation und Kennlinien bei Parallelschaltung und Verschattung in ein bis vier Strängen Leistungsverluste abhängig vom Verschaltungskonzept Der „globale MPP“ Typische Verschattungssituation Ertragsverluste durch falsches Regeln Potentialfestlegung bei bestimmten Zelltechnologien Problem: Degradationseffekte, die bei einigen Zelltechnologien beobachtet werden Auswirkung bei rückseitenkontaktierten Zellen wie Sunpower: reversible Leistungsreduktion Auswirkung bei Dünschichtzellen in Superstrat Technologie: dauerhafte Leistungsreduktion negative Erdung positive Erdung or PV- G enerato or PV- G enerato Erdungskit Erdungskit Wechselrichter nicht verfügbar: was bedeutet das? •Kann man warten? (Inbetriebnahme, Ertragsverluste) •Rechtliche Probleme (was beauftragt, Garantie und Service) •Finanzierung (neue Ertragsgutachten notwendig?) •Auslegung kontrollieren (Leistung, Spannung, Strom, Optimierungen) •Eigenschaften f einsatzgemäß? ß? (Outdoor, (O Abmessungen, Lautstärke)) •Datenerfassung kompatibel? (Schnittstelle, Datenformat) Immer den Kunden einbeziehen! Einflussfaktoren auf den solaren Ertrag
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