Solaranlagen werden auch von Wechselrichtern unterstützt, die den von Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln. Solaranlagen benötigen einen Solarwechselrichter, um sowohl mit als auch ohne Netzanschluss effizient zu funktionieren. Heute erfahren Sie mehr über netzgekoppelte Wechselrichter, ihren Preis und die Anschlussmöglichkeiten. Zuvor erläutern wir jedoch das Funktionsprinzip von netzgekoppelten Wechselrichtern.
Was ist ein netzgekoppelter Wechselrichter und welche Funktion hat er?
Es handelt sich um ein elektronisches Bauteil zur Nutzung von Solarenergie in Solaranlagen. Ein netzgekoppelter Wechselrichter (GTI) wird an die Solarmodule angeschlossen, um den von ihnen erzeugten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umzuwandeln. Ein solches System funktioniert ohne Batterien, und netzgekoppelte Wechselrichter können für Solaranlagen, Windkraftanlagen und Wasserkraftwerke eingesetzt werden.
Netzgekoppelte Wechselrichter können Strom für die Netzfrequenz von 60 Hz bis 50 Hz, die üblicherweise für lokale Stromgeneratoren verwendet wird, wandeln. Ein GTI nutzt die variable, ungeregelte Spannung einer Solaranlage und wandelt sie in netzsynchronen Wechselstrom um. Bei einem Netzausfall unterbricht ein GTI die Stromzufuhr zu den Stromleitungen automatisch.
Was ist das Funktionsprinzip eines netzgekoppelten Wechselrichters?
Bevor Sie sich mit dem Funktionsprinzip eines netzgekoppelten Wechselrichters befassen, müssen Sie dessen Schaltung verstehen . Kondensatoren (C), Dioden (D), Induktivitäten (L), Transformatoren (T) und MOSFETs (Q) sind die Bauteile dieser Schaltung. Der gesamte Prozess lässt sich in drei Umwandlungsschritte unterteilen. Ein netzgekoppelter Wechselrichter muss Frequenz, Amplitude und Wellenform mit dem Netzstrom synchronisieren und einen sinusförmigen Strom in die Last einspeisen.
Hinweis: Ein netzgekoppelter Wechselrichter wird überlastet, wenn die Ausgangsspannung höher als die Netzspannung ist. Ist sie niedriger, kann der Wechselrichter Strom aufnehmen, anstatt ihn zu liefern.
1st-Stufe
An dieser Stelle wird der Gleichstrom (DC) in 60-Hz-Wechselstrom (AC) umgewandelt. Die Eingangsspannung wird zunächst durch einen Aufwärtswandler erhöht, der aus C2 (Kondensator), Q1 (MOSFET), L1 (Spule) und D1 (Diode) besteht. Bei einer Photovoltaikanlage mit mehr als 50 V muss einer der Gleichstromanschlüsse geerdet sein. Theoretisch kann jeder der beiden Anschlüsse geerdet werden, üblicherweise der negative.
Die Wechselstromausgangsleiter in netzgekoppelten Konfigurationen sollten vom Gleichstrom isoliert werden, falls ein Gleichstromeingang einen leitenden Durchgang gegen Erde aufweist.
2nd Stufe
Der erzeugte Wechselstrom wird anschließend mittels eines Niederfrequenz-Aufwärtstransformators auf die erforderliche Spannung gebracht. Hierbei handelt es sich um eine pulsweitenmodulierte DC/DC-Wandlerstufe, im Wesentlichen eine H-Brücke mit Trennwandler. Diese Stufe besteht aus C3 (Kondensator), Q2–Q5 (MOSFETs), T1 (Transformator), L2 (Induktivität) und D2–D5 (Dioden). Für Leistungen unter 1000 Watt kann auch eine Halbbrücke oder ein Vorwärtswandler verwendet werden.
Ein Gleichstromzwischenkreis zum Ausgang des Wechselrichters ist vorhanden, dessen Wert höher als die Spitzenspannung des Netzwechselstroms sein muss . Beispielsweise sollte die Gleichspannung bei 120 V Wechselstrom >120 V √2 = 168 V betragen, typischerweise zwischen 180 V und 200 V, und bei 240 V Wechselstrom wären 350–400 V erforderlich. Dies ist ein weiterer wichtiger Aspekt des Funktionsprinzips von netzgekoppelten Wechselrichtern.
In einigen kommerziellen Wechselrichtermodellen werden Niederfrequenztransformatoren (NF) in der Ausgangsstufe anstelle eines Hochfrequenztransformators im DC/DC-Bereich verwendet. Bei dieser Methode wird der Eingang in 60-Hz-Wechselstrom umgewandelt, und ein Transformator wandelt ihn in die erforderlichen Werte um und sorgt gleichzeitig für die Isolierung.
Hinweis: Leiter von Photovoltaikanlagen in nicht isolierter Bauweise können nicht mit der Erde verbunden werden.
Bei Verwendung eines Aufwärtstransformators (T1) kann die erste Stufe (die umgewandelte Stufe) entfallen . Dies kann jedoch zu einer hohen Streuinduktivität und damit zu Spannungsspitzen an Gleichrichtern und FETs sowie anderen unerwünschten Effekten führen. Dies ist vor allem bei transformatorlosen Systemen der Fall.
3rd Stufe
Die Schaltung beinhaltet eine weitere Umwandlung des verbleibenden Wechselstromanteils für den Ausgang der zweiten Stufe. In dieser Stufe wird eine weitere Vollbrücke zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom verwendet. Die Schaltung besteht aus den IGBTs Q6-Q9 (MOSFET), dem Kondensator C4 und der Induktivität L3. Die MOSFETs dieser Stufe fungieren als elektronische Schalter im PWM-Modus (Pulsweitenmodulation). Für diese Topologie sind antiparallele Freilaufdioden erforderlich, die einen alternativen Strompfad bereitstellen, wenn die Schalter ausgeschaltet sind. Durch Anlegen einer positiven, negativen oder Nullspannung an die Induktivität L3 kann mittels verschiedener Schalter in der H-Brücke eine positive, negative oder Nullspannung angelegt werden. Anschließend reduziert der LC-Filter am Ausgang die hochfrequenten Oberwellen und erzeugt so eine Sinuswelle.
- Zusätzlicher Induktor: Schaltkreise sollten einen begrenzten Stromfluss zu den Verbrauchern und zurück in die Leitung ermöglichen. Ein GTE arbeitet als stromgesteuerte Quelle anstelle einer Spannungsquelle, da das Netz eine hohe Impedanz aufweist. Ein L-Gitter (zusätzliche Koppelinduktivität) wird zwischen einem GTE und den Hauptleitungen eingesetzt, um zusätzliche Wechselspannung zu absorbieren und so die durch die Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugten Stromoberwellen weiter zu reduzieren.
Hinweis : Durch die Einführung zusätzlicher Pole in der Stromschleife besteht die Möglichkeit einer Systeminstabilität.
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Welche Komponenten werden zur Installation eines netzgekoppelten Wechselrichters benötigt?
Nachdem Sie sich mit der Funktionsweise von netzgekoppelten Wechselrichtern vertraut gemacht haben, erfahren Sie mehr über deren Komponenten. Da netzgekoppelte Wechselrichter einfach zu installieren und zu warten sind, benötigen sie nur minimale Ausrüstung und durchschnittlichen Wartungsaufwand. Für die Installation von GTI werden folgende Komponenten und Verkabelungen vor Ort benötigt.
1. Isolatoren
Sie sind wichtige elektronische Komponenten in Solarwechselrichtern, da sie die Kommunikation zwischen niederspannungsempfindlichen Steuerschaltungen (Mikrocontrollern) und Hochspannungskomponenten (Leistungstransistoren) ermöglichen.
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2. Nettozähler
Es ist wie ein Trackingsystem, das den Stromaustausch zwischen dem Haus und dem öffentlichen Stromnetz überwacht. Es berechnet den Besitzern von Solaranlagen den von ihrer Solarstromanlage ins Netz eingespeisten Strom und schreibt ihn gut.
3. Schutzeinheit
Netzgekoppelte Wechselrichter verfügen über einen Inselnetzschutz sowie weitere integrierte Schutzfunktionen. Durch den Einsatz zusätzlicher Schutzgeräte wie Laderegler, Sicherheitsschalter und Verkabelung wird das Gesamtsystem jedoch noch komplexer.
4. Sonnenkollektoren
Dies sind die wichtigsten Komponenten, da Wechselrichter den von Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln, der zum Betrieb von Geräten geeignet ist.
5. Verkabelung
Eine ordnungsgemäße Verkabelung mit Anschluss an Solarmodule, Hauptschalttafel und Netzzähler ist erforderlich. Länge, Breite und Qualität der Kabel sollten für den jeweiligen Einsatzzweck optimal sein. Im Folgenden erfahren Sie, wie Sie einen Netzwechselrichter an das Stromnetz anschließen.
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Wie schließe ich einen Netzwechselrichter an das Stromnetz an?
Bevor Sie den Netzwechselrichter an das Stromnetz anschließen, müssen Sie einige Dinge verstehen.
1. Frequenz
Die Netzfrequenz liegt präzise bei 50 Hz und kann geringfügig variieren, liegt aber meist zwischen 49.9 und 50.1 Hz.
2. Quadratischer Mittelwert
Es handelt sich um den Effektivwert der Spannung eines 50-Hz-Signals , wobei das tatsächliche Signal bis zu 325 V erreichen kann. Diese Information ist wichtig, da beim Anschluss eines Wechselrichters so hohe Temperaturen entstehen, um den Stromfluss in die Stecker zu gewährleisten. Nicht nur das Funktionsprinzip des netzgekoppelten Wechselrichters, sondern auch dessen Anschluss an das Stromnetz erfordert fundierte Kenntnisse dieser Faktoren.
3. Spannungsabfälle
Steckdosen im Haus weisen schwankende Spannungen auf. Dies liegt am Spannungsabfall an den Widerständen von Steckverbindern, Sicherungen, Transformatoren und Leitungen sowie anderen Bauteilen der Schaltung. Beim Ein- und Ausschalten von Geräten in der Nähe werden Sie plötzliche Schwankungen und Änderungen bemerken. Die Netzspannung ist deutlich variabler; beispielsweise beträgt sie an manchen Orten 230 V mit einer Toleranz von +10 %/-6 %.
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4. Sinusförmig
Das Eingangssignal sollte eine saubere und klare Sinuswelle sein . Allerdings beziehen einige nichtlineare Geräte an bestimmten Punkten des Sinuswellenzyklus ihre Leistung. Dies führt zu Verzerrungen, weshalb das Signal keine perfekte Sinuswelle mehr ist. Computer, Leuchtstoffröhren, Staubsauger und andere Geräte sind Beispiele für nichtlineare Lasten. Für den Anschluss eines Wechselrichters an das Stromnetz muss eine sinusförmige Welle gewährleistet sein.
Die Antwort auf die Frage, wie man einen netzgekoppelten Wechselrichter an das Stromnetz anschließt, lautet: Frequenz, Amplitude und Phase der Stromquelle bzw. des Wechselrichters müssen synchronisiert sein. Außerdem muss ein sinusförmiger Strom an die Last abgegeben werden. Andernfalls erkennt der Wechselrichter möglicherweise nicht, ob der Ausgang hoch oder niedrig ist, was zu Problemen führen kann. Zwischen dem System und dem Netz sollte eine zusätzliche Koppelspule (L-Gitter) angeschlossen sein, um überschüssige Wechselspannung aufzunehmen. Zwischen dem Wechselrichter und der oberen bzw. unteren Seitenwand sowie zwischen zwei Wechselrichtern sollte ein Abstand von ca. 500 Millimetern eingehalten werden.
Hier sind die Anschlussschritte aufgeführt. Der in dieser Anleitung beschriebene netzgekoppelte Wechselrichter ist der Luminous Grid Tie Inverter, aber die meisten Wechselrichter haben ähnliche Anschlussvorgänge.
Schritt 1: Schalten Sie jetzt die Hauptstromversorgung ab. Schalten Sie den Leitungsschutzschalter (LS-Schalter) im Wechselstromverteilerkasten aus.
Schritt 2 : Verbinden Sie nun das Netzausgangskabel des Wechselrichters mit dem AC-Verteilerkasten. Beachten Sie dabei das Funktionsprinzip des netzgekoppelten Wechselrichters.
Schritt 3 : Verbinden Sie das Ausgangskabel vom AC-Verteilerkasten mit dem AC-MCB-Kasten.
Schritt 4 : Nun wird automatisch die Verbindung zwischen dem AC MCB-Kasten und dem Netzzähler sowie zu verschiedenen Geräten im Haus hergestellt.
Hinweis: Für solche Arbeiten wird die Beauftragung von Technikern und Elektrikern empfohlen.
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Was kostet ein netzgekoppelter Wechselrichter?
Der Preis eines Netzwechselrichters hängt von seiner Wattzahl und den Phasen sowie vom gewählten Netzwechselrichtertyp ab. Im Allgemeinen müssen Sie Geben Sie etwa 911 $ oder mehr aus für einen netzgekoppelten Wechselrichter. Wechselrichter werden jedoch meist als Teil von Solarstromanlagen eingesetzt und können etwa 20 % der Gesamtkosten ausmachen. Kenntnisse über den Preis sind jedoch hilfreich, nachdem Sie die Funktionsweise eines netzgekoppelten Wechselrichters kennengelernt haben.
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Welche Arten von netzgekoppelten Wechselrichtern gibt es?
Nachdem Sie sich mit netzgekoppelten Wechselrichtern vertraut gemacht haben, sehen Sie sich die zur Auswahl stehenden Typen an.
1. Zentralwechselrichter: Sie funktionieren ähnlich wie String-Wechselrichter, haben aber einen höheren Leistungsbereich. Sie sind unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen und eignen sich für große Solarparks.
2. Mikrometer : Diese technologisch hochentwickelten Geräte wandeln Gleichstrom direkt an der Rückseite der Solarmodule in Wechselstrom um. Da keine Kabel angeschlossen werden müssen, werden die Module nicht beschattet. Mikrometer bieten individuelle Überwachungssysteme und sind je nach Bedarf erweiterbar. Sie eignen sich optimal für beengte Platzverhältnisse, sind jedoch teuer.
3. Leistungsoptimierer : Diese werden ebenfalls an der Rückseite von Solarmodulen angebracht und funktionieren wie Mikrometer. Sie bieten eine Systemleistungsbewertung sowie die Überwachung einzelner Module. Leistungsoptimierer sind kostengünstiger als Mikrometer.
4. String-Wechselrichter : Sie sind die gebräuchlichsten netzgekoppelten Wechselrichter. String-Wechselrichter sind in Reihe geschaltet , und jeder Strang wandelt Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um. Diese Wechselrichter sind zuverlässig und kostengünstig und eignen sich vor allem für Gewerbebetriebe und kleine Haushalte.
Sie haben heute etwas über das Funktionsprinzip von Netzwechselrichtern gelernt, was, wie ich finde, recht interessant war. Der Preis der verwendeten Komponenten für Netzwechselrichter kann sich zwar bestimmen, kann aber je nach Ort, Hersteller und Marke sowie anderen Faktoren variieren. Wie schließt man einen Netzwechselrichter an das Stromnetz an? Die Antwort ist einfach: Führen Sie einfach die oben genannten Schritte aus. Wir empfehlen jedoch nicht, ihn selbst zu installieren.
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