Balkonkraftwerk Teil 12: Maximum Power Point Tracking MPPT

Balkonkraftwerk

In diesem Artikel geht es erst einmal wieder um Grundlagen, also ganz banal um Strom, Spannung und Leistung und wie diese in einem Stromkreis zusammenhängen. Das führt uns dann zum MPPT, dem Maximum Power Point Tracker, der in jedem Wechselrichter verbaut ist. Ich werde erklären, was ein MPPT ist, warum wir ihn brauchen, was seine Aufgaben sind und wie er arbeitet. Das muss man alles nicht unbedingt wissen, um ein Balkonkraftwerk zu betreiben. Der Artikel will eher Hintergrundwissen vermitteln, für diejenigen, die verstehen wollen, was in ihrer Anlage passiert. Diesmal gibt es nichts nachzubauen, sondern trockene Theorie, gespickt mit ein paar einfachen Formeln, dazu aber reale Messungen anhand eines Modellaufbaus.

Jeder Wechselrichter im Balkonkraftwerksumfeld enthält zumindest einen, oft aber zwei oder auch noch mehr Maximum Power Point Tracker (MPPTs). Und das gilt ebenso für viele Solarladeregler, mit denen Akkus mit Solarenergie geladen werden können. Zumindest die hochwertigen Laderegler arbeiten mit einem MPPT. Wenn ich in diesem Artikel im Zusammenhang mit MPPTs also über Wechselrichter spreche, bezieht sich das immer auch auf Solarladeregler.

Um einen MPPT zu verstehen, ist es notwendig, sich ein paar grundlegende Elektrotechnikkenntnisse anzueignen, oder sie sich kurz ins Gedächtnis zurück zu rufen. Wem die Zusammenhänge von Strom und Spannung an einem Solarmodul vertraut sind, der kann das folgende Grundlagenkapitel natürlich auch überspringen.

Grundlagen

In dieser Reihe gibt es bereits einen Artikel Elektrotechnik Grundlagen für Balkonkraftwerker, auf den ich hier gerne verweise. Nachfolgend wird es aber ein bisschen mehr in die Tiefe gehen.

Spannungsquelle und Spannung

Ja, ich sage natürlich auch umgangssprachlich Stromquelle, wenn eine Spannungsquelle gemeint ist, ebenso wie ein Schraubenzieher eigentlich ein Schraubendreher ist. Sei es drum – eine Batterie kann unter bestimmten Gegebenheiten schon Strom liefern, das soll sie ja auch, aber auf jeden Fall liefert sie eine Spannung und die Höhe der Spannung ist außen drauf gedruckt. Deshalb wissen wir alle, dass eine AA-Batterie 1,5V (V für Volt) liefert und eine Autobatterie (in der Regel) nominal 12V hat.

Schaltbild Batterie

Stellen wir uns eine Batterie vor, an die nichts angeschlossen ist. Sie befindet sich im so genannten Leerlauf. Das einzige was wir messen können, wenn wir – wie angedeutet – mit einem Voltmeter an die Anschlüsse gehen, ist die Spannung der Batterie in Volt. Im Leerlauf fließt kein Strom (wenn wir den durch das Voltmeter mal vernachlässigen). Spannungsquellen gibt es natürlich auch noch andere, an der haushaltsüblichen Schukosteckdose können wir beispielsweise 230V Wechselspannung abgreifen und ein Photovoltaik-Modul ist ebenfalls eine Spannungsquelle (für Gleichspannung wie bei der Batterie).

Verbraucher, Stromkreis und Strom

Stromkreis mit Verbraucher

Erst wenn wir den Stromkreis schließen, in dem wir einen Verbraucher anschließen, erst dann kann Strom fließen. An die Anschlüsse der Batterie habe ich im Schaltbild eine Glühlampe (rechts) angeschlossen und ein Voltmeter zur Spannungsmessung sowie ein Amperemeter zur Strommessung. Wie man sieht, sind die Messgeräte unterschiedlich angeschlossen. Das Voltmeter hängt parallel zur Spannungsquelle, während das Amperemeter in den Stromkreis eingeschleift ist. Das ist generell so, ein Voltmeter misst quasi von außen an der Stromquelle oder am Verbraucher, ein Amperemeter muss in den Stromkreis hinein, damit der Strom auch durch es hindurch fließen kann. Wir haben jetzt also einen Stromkreis aus Batterie und Verbraucher, die Glühlampe wird folglich leuchten. Und was messen die Messgeräte? Nun, das Voltmeter wird die Spannung der Batterie anzeigen und die Stromstärke bestimmt sich nach dem Ohmschen Gesetz:

I = U / R

Wobei I die Stromstärke ist, U die Spannung und R der Widerstand des Verbrauchers. (Denn Widerstand der Leitung und den Innenwiderstand der Batterie vernachlässige ich hier bewusst.) Wenn die Batteriespannung also konstant ist, dann führt ein höherer Widerstand des Verbrauchers zu einem geringerem Strom und umgekehrt. Den elektrischen Widerstand können wir uns bildlich als ein Hemmnis vorstellen, das es dem Strom schwer macht, durch ihn hindurch zu kommen.

Leistung

Immer wenn Strom durch einen Verbraucher fließt und sich quasi an dessen Widerstand abarbeitet, wird in dem Verbraucher Leistung umgesetzt. Also zum Beispiel erzeugt die elektrische Leistung Licht, Bewegung und meistens auch Wärme. Die elektrische Leistung lässt sich wieder leicht berechnen:

P = U x I

Das P steht für Power, also für die Leistung und Spannung und Stromstärke kennen wir bereits. Die Leistung steigt also an, wenn die Batteriespannung steigen würde, oder der fließende Strom, oder beides.

Gedankenexperiment

Einfacher Stromkreis aus Batterie und Lampe

Machen wir dazu ein Gedankenexperiment, damit die Zusammenhänge klar werden. Stellen wir uns dazu ein Wohnmobil vor mit einer 12V Aufbaubatterie. Das ist nicht die Starterbatterie des Fahrzeugs, sondern die Batterie, die hinten im Wohnaufbau die Lampen und den Kühlschrank speist, so lange kein Landstrom (Spannung natürlich) angeschlossen ist. Dabei ignorieren wir eine Batterieladeeinrichtung und alle Verbraucher und stellen uns lediglich eine 20W Halogenlampe vor. Die muss natürlich auf 12V ausgelegt sein, damit sie an der Batterie betrieben werden kann. Jetzt stellt sich folgende Frage, die in Kenntnis der beiden oben vorgestellten Formeln beantwortet werden kann:

Wie kann ich erreichen, dass ich mehr Licht bekomme? Die Möglichkeiten sind folgende:

  • Erhöhung der Spannung. Die Leistungsformel P = U x I besagt, dass eine höhere Spannung auch zu mehr Leistung (und damit zu mehr Licht) führt. Physikalisch richtig, in der Praxis aber eher untauglich, schon mal weil aus einer 12V Batterie kaum mehr Spannung zu bekommen ist, es müsste wohl auf ein 24V System umgerüstet werden. Und damit hätte eine Lampe, die für 12V gebaut ist, ihr Lebensende schnell erreicht.
  • Erhöhung des Stroms. Ganz genau, das ist die folgerichtige zweite Variante. Aber wie erreicht man, dass in einem Stromkreis mehr Strom fließt? Das Ohmsche Gesetz I = U / R gibt die Antwort. Entweder durch Erhöhung der Spannung – den Punkt haben wir allerdings eben für untauglich erklärt. Oder durch Senkung des Verbraucherwiderstands. Aber wie geht das? Die Antwort ist naheliegend, wenn wir jetzt nicht zu elektrisch denken. Wir können a) eine Lampe mit höherer Leistung verwenden, zum Beispiel eine Halogenlampe mit 35W oder wir nehmen b) zwei Lampen und schalten die parallel. Eine Parallelschaltung von zwei gleichen Lampen halbiert den Gesamtwiderstand. Und eine leistungsstärkere Lampe muss einen geringeren Widerstand haben als eine schwächere um einen höheren Strom zuzulassen.

In einem Satz zusammengefasst: Bei gleicher Spannung führt ein geringerer Widerstand zu höherem Strom und damit zu höherer Leistung.

So weit – so gut, aber was passiert, wenn die Batterie fast leer ist und gar keinen höheren Strom mehr liefern kann? Der Fall klingt jetzt ein bisschen konstruiert und weltfremd, dann muss die Batterie halt wieder ans Ladegerät. Aber denken wir den Fall doch einmal durch, der Sinn erschließt sich dann gleich noch. Wir wollen also den Widerstand senken und die Batterie kann nicht mehr Strom liefern. Nach dem Ohmschen Gesetz I = U / R muss ein kleineres R bei gleichbleibendem I zwangsweise zu einem kleineren U führen. Dazu können wir die Formel einmal nach U umstellen und erhalten U = I x R. So kann man es leichter erkennen. Sinkender Widerstand führt bei gleichem Strom zu sinkender Spannung. Und dieser Sachverhalt entspricht auch unserer Lebensrealität. Eine AA Mignonbatterie hat neu 1,5V, wenn sie nahzu leer ist vielleicht noch 1,4V oder 1,3V und wenn wir dann einen Verbraucher anschließen bricht die Spannung noch weiter zusammen. (Ja, man kann die sinkende Spannung einer Spannungsquelle auch über deren Innenwiderstand erklären, aber nachdem sich Newbies den kaum vorstellen können, lasse ich das mit dem Innenwiderstand ganz bewusst bleiben. Wer es etwas wissenschaftlicher will, dem empfehle ich diese Ausarbeitung.)

Als Erkenntnis merken wir uns bitte: Wenn einer Spannungsquelle mehr Strom abverlangt wird, als diese liefern kann, wird ihre Spannung einbrechen.

Wozu nun diese Geschichte mit der fast leeren Batterie? Was bei einer Batterie der Extremfall ist, nämlich dass die Spannung zusammenbricht, wenn zu viel Strom gezogen wird, dass ist bei einem Solarmodul der Regelfall. Eine Batterie wählen wir typischerweise so dass die Batterie die gewünschte Leistung auch über einen längeren Zeitraum erbringen kann – dafür sorgt ihr Speichervermögen. Eine Solarzelle (und ein Solarmodul aus mehreren Zellen) hat kein Speichervermögen. Es kann immer nur die Leistung abgerufen werden, die durch die Solarstrahlung in genau diesem Moment erzeugt wird.

Wir können uns als Erkenntnis erst mal merken: Ein Solarmodul als Spannungsquelle wird immer an seiner Leistungsgrenze betrieben, dadurch haben wir es ständig mit variablem Strom und auch mit variabler Spannung zu tun.

Solarmodul und Wechselrichter

PV-Modul und Wechselrichter

Wir verlassen die elektrotechnischen Grundlagen und wenden uns Solarmodul und Wechselrichter zu. An dieser Stelle sollte der Leser mit den Begriffen Spannung, Strom, Widerstand und Leistung etwas anfangen können und wissen, wie sie zusammenhängen und berechnet werden können.

Dieses Schaltbild hatten wir oben schon einmal in ähnlicher Form. Hier ist jetzt die Batterie durch ein Solarpanel ersetzt und die Glühbirne durch einen veränderlichen Widerstand, der den Maximum Power Point Tracker des Wechselrichters darstellen soll. Vielen Balkonkraftwerkern ist der Sachverhalt fremd, dass es sich bei einem Balkonkraftwerk auf der Gleichstromseite (DC) um einen ganz normalen Stromkreis handelt, mit einem Solarmodul als Spannungsquelle und dem Wechselrichter als Verbraucher. Und genau das will ich durch das Schaltbild darstellen, damit es im Gedächtnis bleibt. Die beiden Messgeräte hab ich ebenfalls von oben übernommen, sie sollen symbolisieren, dass ein Wechselrichter Spannung und Strom messen kann (und muss).

Was unterscheidet nun Solarmodul und Wechselrichter von Batterie und Glühlampe? Ein paar Punkte schon:

  • Oben haben wir gelernt, dass ein Solarpanel an seiner Leistungsgrenze betrieben wird, was ja auch ganz klar ist, wir wollen ja die maximale Leistung abschöpfen, die uns die Sonne schenkt. Bei einer Batterie ist das nicht gewollt, sie soll möglichst lange halten.
  • Während eine Batterie eine (ziemlich) konstante Spannung hat, sind Spannung und vor allem Strom bei einem Solarpanel variabel (siehe Datenblatt).
  • Ein Wechselrichter ist gierig, er will die gesamte Leistung des Solarmoduls ernten.
  • Ein Wechselrichter muss flexibel sein um sich ständig dem wechselndem Leistungsangebot eines Solarpanels anpassen zu können.
  • Ein Wechselrichter muss Leistungsgrenzen einhalten (600W / 800W) und an diesen Leistungsgrenzen den Strom begrenzen.

So weit die Theorie. Nun soll real gemessen werden um zu sehen, wie sich Spannung und Strom tatsächlich zwischen Solarmodul und Wechselrichter verhalten

Messeinrichtung

Um Messungen an Solarzellen durchführen zu können, braucht es eine Messeinrichtung, die ich hier kurz vorstelle, damit klar wird, wie die nachfolgenden Messergebnisse zustande kommen.

Messeinrichtung

Ein 20kg schweres Solarmodul ist für Messzwecke etwas schwer handhabbar und hat keine Anschlüsse auf Zellenbasis herausgeführt. Deshalb sehen wir im Bild links ein nachgebautes Solarpanel bestehend aus 5 Zellen (50x50mm), die hinten frei verschaltet werden können. Rechts dann die Simulation eines Wechselrichters mit folgenden Details:

Messplatz mit Raspberry Pi und 3x INA226

In der linken Hälfte erkennt man den Stromkreis aus dem Schaltbild, das wir oben bereits kennengelernt hatten, mit Modulanschluss, Potentiometer und den Messgeräten. Rechts sitzt ein Raspberry Pi mit einem Aufsatz, der drei INA226 Strom-Spannungsmessmodule enthält. Damit sind bis zu 200 Messungen pro Sekunde möglich. Das Potentiometer als regelbarer Widerstand simuliert hier den MPPT des Wechselrichters.

Messungen am Solarmodul

Eine Erkenntnis der Theorie-Abschnitte weiter oben war es, dass Strom und Spannung in einem Stromkreis aus Solarmodul und Wechselrichter variabel sind. Das wollen wir uns jetzt anhand einer realen Messung ansehen. Dazu verändere ich durch langsames Drehen des Potentiometers den Widerstand im Stromkreis und zeichne dabei Spannung und Strom auf.

Spannung in Abhängigkeit vom Strom

Spannung in Abhängigkeit vom Strom

Wir sehen vier Kurven, die an einer Reihenschaltung von fünf 2V-Solarzellen bei unterschiedlicher Sonneneinstrahlung aufgenommen wurden. Die Spannung liegt wie zu erwarten bei etwas über 10V (2V x5) und die Spannungen unterscheiden sich erst mal nicht sonderlich stark, egal wie stark oder schwach die Sonne scheint. Rufen wir nun zunehmend mehr Strom von den Solarzellen ab und gehen im Diagramm weiter nach rechts, dann sehen wir, dass die Spannungen zuerst langsam recht gleichmäßig sinken und dann an einem bestimmten Punkt sehr schnell gegen Null zusammen brechen. Bei der grünen Kurve (links) passiert das bereits sehr früh, bei der blauen (rechts) erst sehr spät. Bei der blauen Kurve kann also ein höherer Strom abgerufen werden, als bei den anderen. Die Ursache liegt in der höheren Sonneneinstrahlung. Dieses Diagramm ist meiner Meinung nach leicht zu verstehen und recht aussagekräftig, in den Datenblättern von Solarmodulen finden wir allerdings häufig eine andere Darstellung.

Strom in Abhängigkeit von der Spannung

Strom in Abhängigkeit von der Spannung

Diese Kurven sind aus den selben Daten entstanden, wie das Diagramm oben, allerdings ist die Spannung nun in der X-Achse aufgetragen und dazu der Strom in der Y-Achse. Solche Diagramme (natürlich mit anderen Werten) kennt man aus den Solarmodul Datenblättern. Die Interpretation ist leider nicht so eingängig, wie beim vorhergehenden Diagramm, aber die Erkenntnisse können sein: Je mehr Sonne, desto mehr Strom, wobei der Strom über einen weiten Spannungsbereich sehr konstant bleibt. Den Punkt bei 0V können wir uns dabei als Kurzschluss vorstellen, es wird der maximale Strom (Kurzschlussstrom) entnommen, die Spannung ist völlig zusammen gebrochen. Den Punkt rechts, bei dem die Ströme minimal werden, ist der so genannte Leerlauf. Hier ist die Spannung (Leerlaufspannung) maximal und der Widerstand so hoch (theoretisch unendlich), dass kein Strom fließt.

Der Leerlauf und der Kurzschluss sind die beiden Extrempunkte wenn es um Strom und Spannung in einem Stromkreis geht. Aber wo ist nun der Maximum Power Point? Das ist der Punkt, in dem die Leistung – also das Produkt von Spannung und Strom – ihr Maximum erreicht. Im Diagramm wird das weit rechts sein, dort wo die Spannung schon sehr hoch, der Strom aber noch nicht zu weit abgefallen ist. Das ist irgendwo in der Rundung der Kurve und besser zu sehen in folgendem Diagramm.

Leistung in Abhängigkeit von der Spannung

Leistung in Abhängigkeit von der Spannung

Auch dieses Diagramm ist aus den selben Daten generiert, wie die vorherigen beiden. Es zeigt die Leistung P = U x I in Abhängigkeit von U. Die Leistung ist sowohl im Kurzschluss ganz links als auch im Leerlauf ganz rechts gleich null. Ganz einfach weil im Kurzschluss die Spannung null ist und im Leerlauf der Strom. Dazwischen steigen die Kurven an bis zu einem Maximalpunkt und fallen dann wieder ab. Die Höhe der Leistung ist abhängig von der Sonneneinstrahlung, der Maximum Power Point liegt abhängig von der Solarleistung bei einer leicht unterschiedlichen Spannung. Die Aufgabe des Maximum Power Point Trackers (also der eingebauten Automatik, die quasi das Potentiometer dreht) ist es, die Spannung entsprechend der Sonneneinstrahlung nachzuregeln. (Wobei diese Darstellung leider etwas unglücklich ist, denn der MPPT selbst kann die Spannung nicht direkt regeln. Er ändert seinen Widerstand, das erhöht oder mindert den Stromfluss und das Solarmodul seinerseits reagiert darauf mit einer Änderung der Modulspannung. Die Spannung ändert sich also nur indirekt.) Zur Arbeit des MPPTs schauen wir uns ein paar Praxisbeispiele an.

MPPT in Simulation und Praxis

Die nachfolgenden beiden Diagramme sind ebenfalls mit der oben beschriebenen Messeinrichtung aufgezeichnet. Sie zeigen jeweils die Leistung in Watt über die Zeit. Der farblich hinterlegte Bereich ist der Zeitraum, in dem das Potentiometer gedreht wurde, um einen besseren Leistungspunkt zu finden.

MPPT vei Einstrahlungsänderung

In der ersten Grafik liefert das Solarmodul recht konstant fast 1,5 Watt. Dann wird das Solarpanel durch einen manuellen Eingriff meinerseits zügig aus der Sonne gedreht und die Leistung geht auf ca. 1,05W zurück. Nun spiele ich MPPT und versuche am Potentiometer die Leistung zu optimieren. Und das gelingt auch, ich kann – bei unverändert schlechter Sonneneinstrahlung – immerhin fast 1,2W herausholen. Ein Plus von ca. 13%.

Kühlung der Solarelemente

Im zweiten Beispiel bekommt das Solarpanel erst mal eine ordentliche Kühlung durch zwei Kühlelemente. Denn die Leistung von Solarzellen steigt mit abnehmender und sinkt mit zunehmender Temperatur.

MPPT nach Temperaturänderung

Das sieht man sehr schön in der Kurve. Von anfänglich ca. 1,63W sinkt die Leistung kontinuierlich während sich die Solarzellen in der Sonne immer weiter aufheizen. Bei ca. 1,38W kommt die Leistungsabnahme langsam zum Stillstand und ich versuche am Potentiometer eine Verbesserung der Leistungsausbeute zu erreichen. Das gelingt auch, die Leistung steigt um ca. 5% auf 1,45W.

MPPT beim Victron Laderegler

Reale Praxisbeispiele, bei denen man einem richtigen MPPT direkt bei seiner Arbeit zusehen kann, sind leider kaum zu finden. Entweder die MPP-Regelung ist so schnell, dass sie durch ein Monitoring nicht erfasst wird, oder ein Wechselrichter setzt das Aufnehmen von Monitoringdaten für den Zeitraum einer MPP-Findung einfach aus, was im Sinne der Datenqualität durchaus sinnvoll ist. Ein Beispiel habe ich aber bei einem Victron Laderegler gefunden.

Im Bild rechts sieht man die Modulspannung in blau und den Strom in orange. Im Abstand von jeweils 10 Minuten startet der MPPT einen Optimierungslauf und variiert Strom und Spannung. Man erkennt gut jeweils drei Stromausschläge nach unten und gleichzeitig drei der Spannung nach oben. Ob dadurch tatsächlich ein nennenswerter Leistungsgewinn erzielt wurde, kann ich aus der Grafik nicht erkennen, aber nachdem der Victron alle 10 Minuten nachoptimiert, kann man wohl davon ausgehen, dass der Powerpoint auch vor dem Trackingvorgang nicht so schlecht eingestellt war, wie in meinen beiden konstruierten Fällen oben.

Strategien zur Maximum Power Point Findung

Meine Strategie um am Potentiometer den maximalen Leistungspunkt zu finden war simpel. Ich hab das Poti einfach in eine Richtung gedreht und dabei die Leistung beobachtet. Falls die gefallen ist, war die Richtung falsch und ich hab die Drehrichtung geändert. Bei steigender Leistung hab ich dann so lange weiter gedreht, bis die Leistung wieder zu fallen begonnen hat und dann ein kleines Stück zurück.

Automatisierte MPPTs machen das im Prinzip genau so. Sie gehen von der aktuellen Spannung aus, messen einen Punkt mit leicht höherer und einen mit leicht tieferer Spannung und verwenden den besseren als neuen Ausgangspunkt. Eine weitere Strategie ist es, die Steigung der Leistungskurve zu ermitteln. Ist sie ansteigend, muss die Spannung erhöht werden, fällt sie ab, muss die Spannung gesenkt werden und wenn die Kurve waagrecht verläuft ist der MPPT erreicht.

Ergänzend dazu kommt dann im Sinne einer Kombistrategie oft noch ein Verschattungsmanagement, das eine Erkennung und Vermeidung von lokalen Hochs in der Leistungskurve aufgrund von teilverschatteten Solarmodulen gewährleisten soll. Dabei wird die gesamte Leistungskurve abgefahren um das wirklich höchste Hoch zu finden.

Mehr Informationen dazu bietet Wikipedia.

Eine kurze Zusammenfassung

Die wichtigsten Erkenntnisse, die dieser Artikel vermitteln will, in einer kurzen Liste:

  • Ein Solarmodul und ein Wechselrichter-MPPT bilden einen Stromkreis, ähnlich wie eine Batterie und eine Glühbirne.
  • Die Spannung wird durch das Solarmodul bestimmt.
  • Der Strom wird durch den Widerstand des MPPT bestimmt.
  • Die Leistung ist das Produkt aus Spannung und Strom.
  • Strom und Leistung ändern sich stark in Abhängigkeit von der Solarstrahlung. Die Spannung tut das nur geringfügig.
  • Der MPPT passt seinen Widerstand an, um das optimale Verhältnis aus Strom und Spannung und damit die maximale Leistung zu finden.

Was der MPPT sonst noch so macht

Das Maximum an Leistung aus einem oder mehreren Solarmodulen heraus zu ziehen ist sicherlich die Hauptaufgabe eines Maximum Power Point Trackers, aber nicht seine einzige.

Leistungsgrenzen einhalten

Ein 600W Wechselrichter soll maximal 600W liefern und ein 800W WR eben 800W und keine 1000W. Die Vorgaben sind dabei gesetzlicher Natur und dass sie eingehalten werden, ist die Aufgabe des MPPT. Denn nur er ist in der Lage, bereits am Wechselrichtereingang den Strom und damit die Eingangsleistung zu begrenzen. Wie er das im Detail macht, ist in seiner internen Programmierung festgelegt und kann von außen nur durch genaue Beobachtung ermittelt werden. So wissen wir heute, dass zum Beispiel ein Hoymiles Wechselrichter der HM-Serie, die Leistung so begrenzt, dass am Ausgang maximal die Nennleistung plus 2% abgegeben werden, also 612W bei einem HM-600. Um die internen Wandlungsverluste von angenommen 4,5% zu kompensieren lässt der Hoymiles eine entsprechende Erhöhung der Eingangsleistung (auf 320W pro Eingang beim HM-600) zu. Der MPPT beginnt also je Eingang bei 320W beim HM-600 und 427W beim HM-800 den Eingangsstrom zu begrenzen um die maximale Ausgangsleistung (die er eh großzügig auslegt) einzuhalten.

Ein Deye Wechselrichter handhabt das übrigens ganz anders. Der Deye begrenzt jeden Eingang auf die anteilige nominale Leistung. Ein Deye 600 regelt also jeden der beiden Eingang bereits bei 300W ab. Von diesen 300W gehen dann noch die Wandlungsverluste ab, so dass ein (unmanipulierter) Deye Wechselrichter am Ausgang immer nur etwas weniger als seine Nominalleistung abgeben kann. Ein Deye 600 speist also immer weniger als 600W ein.

Selbstschutz betreiben

Einen guten Wechselrichter zeichnet es aus, dass er in der Lage ist, sich selbst vor zu hoher Spannung und zu hohem Strom zu schützen. Dass und wie er das tut, obliegt seiner Programmierung. Zu diesem Thema kursieren im Internet zahlreiche Mythen, denen die Leser dieses Artikels hoffentlich künftig mit genug Hintergrundinformation kritisch begegnen können. Ein paar Beispiele:

  • Richtig ist, dass ein typischer Modulwechselrichter eingangsseitig eine Maximalspannung von 60V hat, die auch bei kalten Temperaturen von den Modulen nicht überschritten werden darf. Falsch ist dagegen, dass eine höhere Eingangsspannung als 60V den Wechselrichter zerstören würde. Das ist in der Regel nicht der Fall, weil ein guter Wechselrichter jenseits der 60V einfach abschaltet. Trotzdem sollte man das natürlich nicht machen.
  • Grundsätzlich falsch ist die Annahme, dass der maximale Strom, den ein Modul laut Datenblatt liefern kann und der sich bei Parallelschaltung von zwei Modulen ja potentiell verdoppelt, dem Wechselrichter schaden kann, wenn der maximale Eingangsstrom des Wechselrichters dabei überschritten wird. Wie wir oben bei den Grundlagen gelernt haben, bestimmen die Solarmodule die Spannung und der Widerstand des MPPT bestimmt den tatsächlich fließenden Strom. Solarmodule können also ihren Strom nicht einfach in den Wechselrichter drücken.
  • Deshalb ist es auch falsch, wenn oft behauptet wird, dass der WR die Differenz zwischen der möglichen Solarmodulleistung am Eingang und seiner maximal zulässigen Leistung am Ausgang in Wärme umwandeln würde. Nachdem der MPPT den Strom bereits am Eingang begrenzt, entsteht diese höhere Modulleistung gar nicht erst und muss auch nicht im Wechselrichter vernichtet werden.
  • Aber ebenso falsch ist die Annahme, jeder Wechselrichter würde aufgrund „elektrotechnischer Gesetze“ nicht mehr Strom zulassen, als in seinem Datenblatt steht. Eine Glühbirne macht das so, denn sie hat (wenn wir von der Temperatur absehen) einen festen Widerstand, der bei konstanter Spannung zu einem konstanten Strom führt. Beim Wechselrichter ist das nicht der Fall, der kann – wie wir jetzt wissen – seinen Widerstand ändern. Welcher Strom also tatsächlich fließt, bestimmt die Programmierung des Wechselrichters und es wird ausgeführt über den MPPT. (So gibt es beispielsweise Indizien, dass ein Hoymiles HM-1500 bei niedriger Eingangsspannung nicht bei den 11,5A begrenzt, die im Datenblatt stehen, sondern erst wenn die maximale Eingangsleistung erreicht ist.)

Notabschaltung durchführen

Einspeisewechselrichter müssen über einen NA-Schutz verfügen, also ihren Ausgang sofort spannungsfrei schalten, wenn die Netzspannung oder die Netzfrequenz einen festgelegten Bereich verlässt (zum Beispiel wenn der Netzstecker gezogen wird). In diesem Fall müssen natürlich auch die Ströme an den Eingängen radikal zurück genommen werden, damit die anliegenden 600W nicht im Wechselrichter in Wärme aufgehen. Auch in diesem Fall schaltet sich der MPPT schnell hochohmig bis auf wenige Watt zu seiner eigenen Versorgung.

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4 Kommentare

  1. hopfen

    Die Hoymiles (HM-350) haben eine eigenartige Kennlinie (unter 33V) und ich fürchte der Strom geht bei niedriger Betriebsspannung 25V – 16V tatsächlich über das erlaubte Maß hinaus? Über 30 V begrenzt er auf max. 11,5 A. Ist mir am Modul auch schon aufgefallen daß er die Spannung gelegentlich auf 16 V grundlos bei sinkender Leistung runter zieht und dort bleibt. Ich betreibe ihn eigentlich an einem Spannungswandler der zur Leistungsregelung am Aeconversion strombegrenzend betrieben wurde. Aktuell um 30 V 3-7 A. Bei aktiver Strombegrenzung, (etwa ähnl. einer Modul Kennlinie) zieht er oft die Spannung langsam bis 16 V runter und verharrt dort oder beginnt von vorne. Funktioniert augenblicklich fast nur mit interner Leistungsbegrenzung. Test am starken Netzgerät mache ich noch.

    Antworten
    1. Helmut (Beitrag Autor)

      Ein Versuch mit einem Leistungsnetzteil ist sicher aufschlussreich. Es wird berichtet, dass die Hoymiles Wechselrichter nicht bei dem im Datenblatt ausgewiesenen Maximalstrom begrenzen, sondern dann, wenn die maximale Eingangsleistung (je Eingang) erreicht ist. Beim HM-350 wären das rechnerisch 374W. Bei niedriger Spannung (unterhalb 32,5V) könnten so die 11,5A auch überschritten werden. Wirklich getestet und dokumentiert hat das aber noch niemand. Der Versuch wäre ein Youtube-Video wert. ;-) Viel Erfolg.

      Antworten
  2. Helmut Heck

    Danke für die detailierte Erklärung.
    Bleibt die Frage, wie regelt der MPPT den DC-Eingangsstrom. Poti hat er ja wohl nicht.
    Ist das auch ein PWM? Und wenn ja, könnte ich das beeinflussen, wenn ich die DC-Leitung schon regelmäßig vor dem Ende seiner Einschalt-Phase unterbreche?

    Gruß
    Helmut

    Antworten
    1. Helmut (Beitrag Autor)

      Das wird intern ein steuerbarer DC-DC Wandler sein. Von außen beeinflussen? Wozu das denn?

      Antworten

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