Zentral-Wechselrichter

Für große PV-Anlagen mit gleichmäßigem Generatorfeld (alle Strings haben dieselbe Ausrichtung und Neigung) sind Zentralwechselrichter geeignet. Hier wird der gesamte PV-Generator an einen zentralen Wechselrichter angeschlossen, der entsprechend dimensioniert ist.

Bei Anlagen mit hohen Spannungen werden möglichst viele Module in Reihe geschaltet, und die einzelnen Strings werden in Generatoranschlusskästen (GAK) zusammengeführt. Dabei muss jedoch beachtet werden, dass bei einem inhomogenen Generatorfeld mit unterschiedlichen Modulorientierungen, variierenden Zelltemperaturen, Teilverschattungen oder der Nutzung von Modulen mit hohen Leistungstoleranzen Mismatch-Verluste entstehen können. Diese Verluste, die durch die Verschiebung des Maximum-Power-Points (MPP) der einzelnen Module verursacht werden, sind umso größer, je größer der PV-Generator ist. Wenn solche ungünstigen Bedingungen unvermeidlich sind, sollte ein dezentrales Wechselrichterkonzept in Betracht gezogen werden.

Vor- und Nachteile von Zentral-Wechselrichtern

Vorteile:

1. Zentrale Effizienz: Die zentrale Position eines Zentralwechselrichters in der PV-Anlage ermöglicht eine optimierte Energieeffizienz und vereinfacht die Installation sowie Wartung, da nur wenige Geräte erforderlich sind.
2. Leistungsstark: Mit einer Leistung von 100 bis 1.200 kW können Zentralwechselrichter den erzeugten Solarstrom direkt in das Mittelspannungsnetz mit einer Spannung von 20.000 Volt einspeisen.
3. Wirtschaftlichkeit: Hoher Wirkungsgrad, gut abgestimmte Komponenten und umfassender Herstellerservice gewährleisten die Wirtschaftlichkeit der PV-Anlage, ebenfalls sind Zentral-Wechselrichter in der Anschaffung meist Preisgünstiger als viele "kleine" Wechselrichter.
4. Kosteneffizienz: Zentralwechselrichter sind in der Regel kosteneffizienter als mehrere String-Wechselrichter, da sie einfacher zu warten und zu überwachen sind.
5. Geringere Übertragungsverluste: Zentralwechselrichter haben tendenziell geringere Übertragungsverluste und sind effizienter bei der Anpassung des Stroms an das Netz.

Nachteile:

1. Störanfälligkeit: Bei einem Ausfall des Zentralwechselrichters steht die gesamte Anlage still und führt ggf. zu hohen finanziellen Verlusten. Im Gegensatz dazu fällt bei String-Wechselrichtern nur der betroffene Strang aus.
2. Temperaturmanagement: String-Wechselrichtern bieten Vorteile beim Temperaturmanagement, da sie aufgrund ihrer kleineren Größe und verteilten Anordnung effizienter gekühlt werden können. Zentralwechselrichter müssen hingegen die erheblichen Wärmeverluste großer Einheiten, wie beispielsweise 12.000 Watt bei 60 kW Nennleistung, effektiv managen.

Zentralwechselrichter können auch in Anlagen mit niedriger Spannung eingesetzt werden, wobei die Anzahl der in Serie geschalteten Module geringer ist als bei höheren Spannungen. Diese Konfiguration bietet folgende Vorteile:

• Schutzkleinspannungen: Es können Schutzkleinspannungen (Schutzklasse III) unter 120 V erreicht werden.
• Teilverschattung: Kürzere Strings reduzieren die negativen Auswirkungen von Teilverschattungen. Aufgrund der größeren Anzahl paralleler Strings fließen jedoch höhere Ströme, was erfordert, dass die Kabelquerschnitte entsprechend größer gewählt werden müssen.

Exkurs: Master-Slave Betrieb

Für große PV-Anlagen können ebenfalls alternative Konzepte genutzt werden, um den Energieertrag zu maximieren.

Wechselrichter haben im Teillastbereich einen niedrigeren Wirkungsgrad als bei höherer Auslastung. Dies kann durch den sogenannten Master-Slave-Betrieb verbessert werden.

In diesem Konzept wird ein zentraler Wechselrichter durch mehrere parallel geschaltete Wechselrichter ersetzt, wobei der PV-Generator wie bei einem Zentralwechselrichter angeschlossen wird. Zu Beginn der Einspeisung wird nur ein Wechselrichter aktiviert. Erreicht dieser seine Leistungsgrenze, wird ein weiterer Wechselrichter zugeschaltet und so weiter. Bei abnehmender Sonneneinstrahlung am Abend wird dieser Prozess umgekehrt. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft im unteren Leistungsbereich, etwa am Morgen, da die Wechselrichter dadurch mit einem höheren Wirkungsgrad arbeiten können.

Vor- und Nachteile von Master-Slave-Wechselrichtern

Vorteile:

1. Höherer Wirkungsgrad: Durch die parallele Schaltung mehrerer Wechselrichter kann der Wirkungsgrad im Teillastbereich deutlich gesteigert werden.
2. Höhere Ausfallsicherheit: Fällt ein Wechselrichter aus, kann die Anlage weiterhin betrieben werden.
3. Geringere Investitionskosten: Master-Slave-Wechselrichter sind in der Regel günstiger als Zentralwechselrichter.
4. Flexibleres Anlagenkonzept: Master-Slave-Wechselrichter können an verschiedene Anlagengrößen und -konzepte angepasst werden.

Nachteile:

1. Höherer Platzbedarf: Master-Slave-Wechselrichter benötigen mehr Platz als Zentralwechselrichter.
2. Höherer Verkabelungsaufwand: Die Verkabelung von Master-Slave-Wechselrichtern ist komplexer als die von Zentralwechselrichtern.
3. Erhöhter Wartungsaufwand: Master-Slave-Wechselrichter müssen häufiger gewartet werden als Zentralwechselrichter.

Insgesamt sind Master-Slave-Wechselrichter eine gute Alternative zu Zentralwechselrichtern, insbesondere für große PV-Anlagen. Sie bieten eine Reihe von Vorteilen, wie einen höheren Wirkungsgrad, eine höhere Ausfallsicherheit und geringere Investitionskosten. Allerdings sollten auch die Nachteile, wie der höhere Platzbedarf, der höhere Verkabelungsaufwand und der erhöhte Wartungsaufwand, berücksichtigt werden.