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Solar-Wechselrichter

Effizienter mit Siliziumkarbid

2. März 2011, 14:43 Uhr | Von Helmuth Lemme

IGBT-Module mit Siliziumkarbid-Dioden

Wer sich eine Photovoltaik-Anlage aufs Dach setzt, der erwartet, dass sie mindestens 20 Jahre hält. Aber nicht nur die Solarzellen selbst müssen so lange funktionstüchtig bleiben, auch die übrigen Systemteile, insbesondere der Wechselrichter. Ein neuartiges Halbleitermodul mit Dioden aus Siliziumkarbid senkt jetzt die Verluste wesentlich. Die niedrigere Temperatur im Gerät kommt der Lebensdauer zugute.

In vielen Industriebereichen mag die Auftragslage durch Wirtschaftskrisen einbrechen und sich dann mühsam wieder erholen. Anders in der Photovoltaik: Hier geht es nur aufwärts. Nicht einmal die drastische Kürzung der Einspeisevergütungen konnte die Branche ernsthaft schädigen - sie wächst und wächst. In dem Maße, wie die Konkurrenz zwischen den Herstellern härter wird, schreitet auch die Innovation voran. Wer unter dem steigenden Preisdruck am Markt überleben will, muss immer wieder neue Ideen haben.

Das betrifft nicht nur die Solarmodule, sondern genauso alle anderen Systemkomponenten. Damit vom teuer erzeugten Solarstrom so wenig wie möglich in Form von Abwärme verloren geht, muss der Wechselrichter den höchstmöglichen Wirkungsgrad haben. Weitere Anforderungen: Seine Lebensdauer muss mindestens so lang sein wie die der Solarmodule, bei externen Störungen wie Netzausfall oder Schäden an den Solarmodulen muss ein sicherer Schutz gewährleistet sein, und schließlich soll auch die elektromagnetische Störausstrahlung minimal sein, damit die Funktion von benachbarten Geräten nicht beeinträchtigt wird. Und das alles zu niedrigsten Kosten. So sind die Entwickler bis zum Äußersten herausgefordert. Jede Rationalisierungsmaßnahme ist willkommen.

Vielfalt an Schaltungstopologien

In einem Solar-Wechselrichter sind viele Parameter optimal aufeinander abzustimmen, die teilweise im Widerspruch zueinander stehen. Wird beispielsweise ein besonders hoher Wirkungsgrad dadurch erkauft, dass die Anlage als Ganzes starke elektromagnetische Störungen erzeugt oder nicht betriebs-sicher ist, dann kann man diesen Weg nicht gehen. Und wenn man es schafft, sämtliche Anforderungen exzellent zu erfüllen, dann wird es möglicherweise unbezahlbar, so dass doch wieder gewisse Abstriche zu machen sind.

Im Laufe von rund drei Jahrzehnten haben diese Geräte eine permanente Weiterentwicklung erfahren. Die ersten waren nur für Inselanlagen vorgesehen. Ins öffentliche Netz einspeisende kamen um 1990 im Rahmen des „1000-Dächer-Programms“ des BMBF auf. Zunächst waren sie überaus anfällig und störten auch oft die Umgebung, doch das hat sich sehr gebessert. Inzwischen haben sich viele verschiedene Schaltungstopologien herausgebildet, jede mit eigenen Vor- und Nachteilen. Ursprünglich hatten alle eine galva-nische Trennung zwischen Gleichstrom- und Wechselstromseite, anfangs mit einem 50-Hz-Transformator, klobig, schwer, teuer und mit Streuverlusten. Dann kamen Versionen mit Hochfrequenz-Transformatoren auf, sehr viel kleiner und leichter, doch im Gesamtwirkungsgrad schlechter. Vorteilhaft sind allerdings die hohe Sicherheit und die relativ große Freiheit bei der Wahl der Systemgleichspannung.

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Die Anpassung ans Netz ist mit einem geeigneten Übersetzungsverhältnis des Transformators zu erreichen.

Die moderneren Wechselrichter arbeiten direkt gekoppelt. Mit dem Wegfall des Transformators sinken Bauvolumen, Gewicht, Verluste und Kosten. Dafür tauchen neue Probleme auf. Denn während man bisher den einen Anschluss des Solargenerators (in der Regel den Minuspol) auf Nullpotential legen konnte, geht das hier nicht ohne weiteres. Bei den üblichen H-Brücken-Schaltungen führt er gegen Erde eine Wechselspannung in Höhe der halben Netzspannung.

Das erfordert sehr viel aufwendigere Isolationsmaßnahmen. Auch fließen hier wegen der beträchtlichen Kapazität der Solarmodule gegen Erde nicht zu vernachlässigende Blindströme, die das System unter Umständen stören können. Speziell Dünnschichtzellen können dadurch leiden.

Sinusform durch Pulsbreitenmodulation

In jedem Fall muss die ins Netz eingespeiste Spannung eine saubere Sinusform haben. Oberschwingungen niedriger Ordnung sind zu vermeiden. Das erreichen die Wandler mit Pulsbreitenmodulation. Die Schaltfrequenz ist typisch einige 10 kHz.

Als Schalter dienen bei niedrigeren Leistungen MOSFETs, bei höheren IGBTs, als weitere Leistungshalbleiter sind einige Dioden erforderlich. In einer „H-Brücke“ wie in Bild 1 werden jeweils zwei diagonal gegenüber liegende Schalter eingeschaltet, während die anderen beiden sperren.

Über die 50-Hz-Periode hinweg variiert das Schaltverhältnis, so dass sich ein Spannungsverlauf wie in Bild 2 ergibt. Mit Drosseln und Kondensatoren wird dieser dann gemittelt. Passend dimensionierte Filter am Ausgang senken Reste der Schaltfrequenz auf ein unschädliches Niveau, so dass annähernd der gewünschte Sinusverlauf resultiert. Nachteilig bei der Schaltung von Bild 1 ist, dass die Eingangsspannung höher sein muss als der Scheitelwert der Netzspannung, in der Praxis 350 bis 400 V. Das erfordert beim Solarmodul eine sehr aufwendige Isolation.

Vor allem die Feuerwehr hat hier schwere Bedenken: Sollte auf einem Haus mit Solaranlage einmal der Dachstuhl brennen, dann werden Löscharbeiten mit Wasser hochgefährlich. So hat sich bei direkt gekoppelten Wechselrichtern eine Variante dieser Schaltung verbreitet, bei der ein vorgesetzter Gleichspannungswandler (Bild 3) die Eingangsspannung erhöht.

So kann der Solargenerator eine wesentlich niedrigere Systemspannung haben. Gleichzeitig regelt der Wandler das Übersetzungsverhältnis so, dass die Solarzellen immer dicht am „Maximum Power Point“ (MPP) arbeiten, wo sie ihre maximale Leistung abgeben. Der Preis dafür ist eine Minderung des Wandler-Wirkungsgrads um einige Prozentpunkte.

Zumindest teilweise ausgleichen lässt sich dies, wenn an anderen Stellen die Verluste gesenkt werden. Dazu haben einige Hersteller die H-Brücke um zusätzliche Schalter erweitert, um während der Freilauf-Phase einen Rückfluss von Strom in den Speicherkondensator zu verhindern.

Bekannt geworden sind hier insbesondere zwei Lösungen, beide mit annähernd der gleichen Wirkung: zum einen die „H5“-Topologie von SMA (Niestetal bei Kassel) mit einem fünften Schalter, der die H-Brücke kurzzeitig vom Kondensator abtrennt, zum anderen die „Heric“-Topologie, entwickelt am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg, angewendet von Sunways (Konstanz) mit zwei zusätzlichen Schaltern zwischen Brückenausgang und Netzfiltern. In beiden Fällen sind die Verluste spürbar gesenkt, die Wirkungsgrade steigen jetzt von vorher 96 % auf bis zu 98 %.

Nachteilig ist unverändert, dass der Solargenerator eine Wechselspannung gegen Erde führt. So haben findige Entwickler einige grundsätzlich andere Schaltungstopologien erarbeitet, bei denen das vermieden wird, so etwa „Flying Inductor“ mit fünf Schaltern, wo der Minuspol des Solargenerators mit dem Nullleiter verbunden sein kann, allerdings auch wieder mit gewissen Einbußen beim Wirkungsgrad.