Steigerung der Energieeffizienz Mit Speichersystemen und Solarwechselrichtern zur leistungsstarken Energieversorgung

Solaranlagen werden immer beliebter. Doch die Sonne scheint nicht immer. Energiespeichersysteme in Solarwechselrichtern bieten eine leistungsstarke Lösung, um eine zuverlässige Energieversorgung zu gewährleisten.

Photovoltaik-Solaranlagen (PV) erfreuen sich bei Eigenheimbesitzern, Unternehmen und Energieversorgern zunehmender Beliebtheit, da sie saubere Energie erzeugen und gleichzeitig die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern und die Stromkosten senken. Eine der Herausforderungen bei der Solarenergie besteht jedoch darin, dass sie nur unregelmäßig verfügbar ist. Da die Sonne nicht immer scheint, kann es zu Schwankungen bei der Energieerzeugung kommen. Der Bedarf an Solarwechselrichtern mit hohem Wirkungsgrad, verbesserter Leistungsdichte und höherer Belastbarkeit nimmt folglich stetig zu. Vor diesem Hintergrund erweist sich die Integration von Energiespeichersystemen (ESS) in Solarwechselrichter als ein technologischer Durchbruch und bietet eine leistungsstarke Lösung, um eine gleichmäßige und zuverlässige Energieversorgung zu gewährleisten. Dank der fortschreitenden technologischen Entwicklung und der sinkenden Kosten wird die Akzeptanz von Solaranlagen mit Speicher voraussichtlich weiter zunehmen und den Weg für eine nachhaltigere und solidere Energiezukunft ebnen. In diesem Artikel werden die Vorteile, Typen und Topologieüberlegungen zur Integration von Energiespeichern in Photovoltaiksysteme in Wohn- und Gewerbeanlagen beleuchtet.

Grundlegendes zu Solarwechselrichtern und Energiespeichern

Solarwechselrichter sind das Herzstück einer Photovoltaikanlage. Sie wandeln den von Solarmodulen erzeugten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um, der dann in das Stromnetz eingespeist werden kann. Neben der Stromumwandlung sorgen Solarwechselrichter für die Regelung des Energieflusses, die Optimierung der Systemleistung und die Bereitstellung von Sicherheitsmechanismen zum Schutz der gesamten Photovoltaikanlage.

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Energiespeichersysteme (ESS) sind Technologien, die Energie für die spätere Nutzung speichern, um Angebot und Nachfrage auszugleichen und die Zuverlässigkeit des Stromnetzes zu verbessern. Diese Systeme können Energie in verschiedenen Formen speichern, z. B. elektrisch, chemisch, mechanisch oder thermisch. Es gibt verschiedene Arten von ESS. Im Folgenden werden die gängigsten Methoden vorgestellt:

• Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) wie Lithium-Ionen-Batterien werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte, Effizienz und sinkenden Kosten sehr häufig eingesetzt. Sie werden vor allem in der Netzspeicherung und bei Elektrofahrzeugen verwendet.

• Mechanische Speichersysteme wie Pumpspeicherkraftwerke werden am häufigsten eingesetzt für große Energiespeicher. Dabei wird Wasser zwischen einem tiefer gelegenen und einem höher gelegenen Reservoir transportiert. Dieser Speichertyp bietet die höchste Energiespeicherkapazität.

• Thermische Speichersysteme auf Basis von Salzschmelzen (Molten Salt) werden in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt, um Wärme zu speichern und bei Bedarf Strom zu erzeugen. Sie werden in kommerziellen Anwendungen zur kurzfristigen Energiespeicherung eingesetzt.

In Photovoltaikanlagen werden häufig BESS aus Lithium-Ionen-Batterien verwendet, um überschüssige, von den Solarmodulen erzeugte Energie zu speichern. Diese gespeicherte Energie steht in Zeiten mit geringer Solarstromerzeugung (nachts und an bewölkten Tagen) oder während Spitzenbedarfszeiten zur Verfügung, wodurch eine gleichmäßige und zuverlässige Stromversorgung gewährleistet werden kann.

Die Vorteile der Integration von Energiespeichern in Solarwechselrichter

Die Integration von ESS in Solarwechselrichter ermöglicht Energieunabhängigkeit und sorgt für Zuverlässigkeit. Durch die Speicherung überschüssiger Solarenergie können die Nutzer ihre Abhängigkeit vom Stromnetz verringern und eine konstante Stromversorgung auch bei Stromausfällen oder in Zeiten geringer Solarstromerzeugung sicherstellen. Dadurch kann die gespeicherte Solarenergie in Spitzenbedarfszeiten oder bei einem höheren Strompreisstand genutzt werden. Dies senkt wiederum die Betriebskosten und minimiert die Belastung der elektrischen Infrastruktur. Darüber hinaus können Energiespeichersysteme zur Frequenzregelung beitragen, indem sie die Netzfrequenz stabilisieren und die Netzleistung insgesamt verbessern.

Segmentierung von Energiespeichersystemen

Es gibt zahlreiche Einsatzmöglichkeiten für Energiespeichersysteme. Die ESS-Segmentierung ist in Front-of-the-Meter (FTM) und Behind-the-Meter (BTM) unterteilt. FTM-Energiespeichersysteme werden in der Regel bei Hochleistungsanlagen mit einer Leistung von über 5 MW eingesetzt. Hier kommen umfangreiche stationäre Energiespeichersysteme zum Einsatz, beginnend mit der Erzeugungsphase in Kombination mit PV-Anlagen oder Windkraftanlagen, über die Übertragungsphase bis hin zur Verteilungsphase. Auf der rechten Seite befinden sich die BTM-Energiespeichersysteme. In diesem Segment werden die Energiespeichersysteme in Kombination mit privaten und gewerblichen PV-Anlagen im Leistungsbereich von wenigen Kilowatt bis fünf Megawatt eingesetzt.

Verschiedene Arten von Solarwechselrichtern

Bei Stringwechselrichtern werden Solarmodule zu Strings zusammengeschaltet. Die kombinierte Gleichstromleistung der Module wird an einen einzigen Wechselrichter weitergeleitet, der sie in Wechselstrom umwandelt. Sie werden in der Regel in Wohngebäuden, im gewerblichen Bereich und bei Großanlagen eingesetzt. Stringwechselrichter erzeugen ein- oder dreiphasigen Wechselstrom mit einer hohen Leistung von bis zu 200 kW. Die Modulspannungen liegen bei etwa 600 V, gefolgt von einem DC/DC-Aufwärtswandler, der die Zwischenkreisspannung für einen einphasigen Wechselrichter liefert. Bei dreiphasigen Wechselrichtern wird eine Modulspannung von 1.000 bis 1.500 VDC mit einem Aufwärtswandler verwendet. Stringwechselrichter sind kostengünstig und relativ einfach zu installieren und zu warten. Problematisch kann es jedoch werden, wenn ein Solarmodul im String verschattet ist oder eine zu geringe Leistung aufweist: Dies kann die Leistung des gesamten Systems beeinträchtigen.

Im Gegensatz dazu wird im Fall von Mikrowechselrichtern jedes Modul mit einem eigenen Mikrowechselrichter gekoppelt und Gleichstrom in Wechselstrom auf Modulebene umgewandelt. Diese Systeme sind im Gegensatz zu den in Reihe geschalteten Stringwechselrichter parallel geschaltet. Wenn also ein Modul verschattet ist oder eine zu geringe Leistung aufweist, hat dies keine Auswirkungen auf die Leistung der anderen Module. Die typische Leistung von Mikrowechselrichtern liegt zwischen 200 W und 1,5 kW bei einer PV-Anlagenspannung von 40 bis 80 V. Dieser Wechselrichtertyp ist ideal für Wohnanlagen, bei denen die Solarmodule in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sein können. Die Vorteile von Mikrowechselrichtern bestehen darin, dass sie die Leistung jedes einzelnen Moduls unabhängig voneinander maximieren. Dadurch können die Auswirkungen von Verschattungen oder einer ungünstigen Modulausrichtung minimiert werden. Darüber hinaus ermöglichen Mikrowechselrichter eine genaue Überwachung jedes einzelnen Moduls zur besseren Wartung und Leistungskontrolle. Der größte Nachteil sind die hohen Anschaffungskosten im Vergleich zu Stringwechselrichtern.

Durch die Integration von Energiespeichersystemen in PV-Module entsteht ein Hybridwechselrichter. Dieser Wechselrichtertyp funktioniert auf beide Arten: Der erzeugte Solar-Gleichstrom wird direkt in Wechselstrom umgewandelt oder vor der Umwandlung in Wechselstrom gespeichert. Hybridwechselrichter optimieren die Energienutzung und -speicherung, indem sie den Stromfluss zwischen Solarmodulen, Batterien und Stromnetz steuern. Sie können so konfiguriert werden, dass je nach Nutzerpräferenzen und Stromtarifen entweder dem Aufladen der Batterien, der Interaktion mit dem Netz oder dem Eigenverbrauch Vorrang gegeben wird.

Energiespeicher-Kopplungssysteme und ihre Vor- und Nachteile

Es gibt zwei verschiedene Ansätze zur Integration von Batteriespeichern in Photovoltaikanlagen: das AC-gekoppelte ESS und das DC-gekoppelte ESS. Beide Systeme weisen je nach spezifischer Anwendung, Systemkonfiguration und Benutzeranforderungen eigene Vor- und Nachteile auf. Der Hauptunterschied zwischen einem AC-gekoppelten und einem DC-gekoppelten System liegt in dem Weg, den der Strom zurücklegt, nachdem er von den Solarmodulen erzeugt wurde.

In einem AC-gekoppelten System sind die Photovoltaikanlage und das Batteriespeichersystem über ihre jeweiligen Wechselrichter an das Wechselstromnetz angeschlossen. Die Solarmodule erzeugen Gleichstrom, der von einem Solarwechselrichter in Wechselstrom umgewandelt wird, während das Batteriespeichersystem in der Regel mit eigenen bidirektionalen DC/DC- und Wechselrichterstufen zum Laden und Entladen in das Wechselstromnetz ausgestattet ist.

Im Gegensatz dazu nutzen die Solarmodule und der Batteriespeicher in einem DC-gekoppelten System einen gemeinsamen DC-Zwischenkreis und verwenden hauptsächlich einen einzelnen Wechselrichter, um den Gleichstrom für die Netzeinspeisung oder den Eigenverbrauch in Wechselstrom umzuwandeln. Die Batterien können mithilfe der Solarmodule direkt aufgeladen werden; der gespeicherte Gleichstrom wird dann bei Bedarf über einen Hybridwechselrichter in Wechselstrom umgewandelt.

Leistungstopologien für Solar-Stringwechselrichter und ESS

Für die Auslegung der DC/DC-Wandler- und DC/AC-Wechselrichterstufen können verschiedene Leistungstopologien herangezogen werden. Die verschiedenen Topologien bieten unterschiedliche Vorteile und werden auf der Grundlage von Leistungsanforderungen, Effizienz, Kosten und Komplexität ausgewählt.

In der ersten Wandlerstufe wird die Stringspannung durch Maximum Power Point Tracking (MPPT) auf ein für den Wechselrichter geeignetes Niveau gebracht. In der Regel beträgt sie 400 V für einphasige und 800 V für dreiphasige Anlagen. Die DC/DC-Stufe des MPPT-Leistungsoptimierers dient der Maximierung des Energieertrags einer Photovoltaikanlage, indem die Leistung jedes einzelnen Solarmoduls in der Anlage optimiert wird. Dabei wird die Leistung des Moduls auf seinen optimalen Leistungspunkt justiert, bevor die Energie an die Wechselrichterstufe weitergeleitet wird. Diese Optimierung ist wichtig, da die Leistung eines Solarmoduls aufgrund von Veränderungen der Sonnenlichtintensität, der Verschattung und der Temperatur sowie aufgrund von ungünstigen Modulausrichtungen variieren kann.

Der Trend geht dahin, die Zwischenkreisspannung auf 1.000 oder 1.500 V zu erhöhen, um die Leistungsverluste im System zu verringern und weitere Module in Reihe schalten zu können. Durch die Erhöhung der maximalen Gleichspannung eines Solarwechselrichters auf 1.500 V oder mehr werden Photovoltaikanlagen kostengünstiger. Typische Topologien für diese Stufe sind der Interleaved-Aufwärtswandler, die phasenverschobene Vollbrücke (PSFB) und der LLC-Konverter.

Die zweite Wandlerstufe ist der bidirektionale DC/DC-Wandler. Diese Stufe dient zum Laden oder Speichern von Energie in der Batterie und zum bedarfsweisen Entladen oder Freisetzen dieser Energie. Typische isolierte Topologien sind CLLLC und DAB.

Die Leistungsstufe des Wechselrichters wandelt die Zwischenkreisspannung in Wechselspannung für das Netz um. Zu den gängigen Topologien gehören die zweistufigen B6- und H-Brücken sowie die dreistufigen ANPC- und HERIC-Topologien. Multilevel-Wechselrichtertopologien finden in Anwendungen mit mittlerer und hoher Leistung immer mehr Verbreitung. Die Vorteile der Verwendung von Dreistufen-Wechselrichtertopologien sind Folgende:

• Verringerung der Verlustleistung, was einen kleineren Kühlkörper ermöglicht.

• Minimierung der Stromwelligkeit, was wiederum die Filterung aufgrund des geringeren Oberwellengehalts erleichtert.

• Signifikant geringere leitungsgebundene elektromagnetische Interferenzen.

Sehen wir uns die gängigsten Topologien für die DC/DC-Stufe nun genauer an. Die Auswahl der Leistungsschalter auf der Sekundärseite hängt von der Batteriespannung ab. In Energiespeichersystemen für Privathaushalte werden beispielsweise häufig 48-V-Batteriepakete verwendet, während im gewerblichen Bereich eher 400-V-Batterien zum Einsatz kommen.

Die Topologie mit Nullspannungsschaltung (ZVS) und phasenverschobener Vollbrücke (PSFB) wird in einem 400-V-Gleichstromzwischenkreis mit 650-V-Siliziumkarbid (SiC)-MOSFETs für die Schalter Q1 bis Q4 empfohlen, um einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Leistungsdichte zu erreichen. Die Schalter werden mit einer Phasenverschiebungstechnik gesteuert, wodurch die Schalter eingeschaltet werden, wenn die Spannung an ihnen Null beträgt. Dadurch werden Schaltverluste und elektromagnetische Interferenzen (EMI) erheblich reduziert und die Beanspruchung der Halbleiterbauelemente verringert. Darüber hinaus sind 650-V-SiC-Dioden die richtige Wahl für D1 und D2 auf der Primärseite. Bei einem 800-V-Zwischenkreis müssen 1.200-V-SiC-MOSFETs und SiC-Dioden eingesetzt werden. Auf der Sekundärseite hängt die Auswahl der Leistungsschalter für die Schalter Q5 bis Q8 von der Batteriespannung ab.

Eine der gängigsten bidirektionalen DC-DC-Topologien ist der CLLC-Wandler. Dabei werden zwei Induktoren (L) und zwei Kondensatoren (C) in einem Resonanztankkreis genutzt. Die Anordnung sieht typischerweise wie ein auf der Primär- und Sekundärseite gespiegelter LLC-Resonanztank aus. Für die Schalter Q1 bis Q4 kommen SiC-MOSFETs zum Einsatz, während für Q5 bis Q8 Silizium-MOSFETs verwendet werden. Das CLLC-Design sieht eine Nullspannungsschaltung (ZVS) für die primärseitigen Schalter vor, wodurch Schaltverluste reduziert und die Effizienz verbessert werden. Dank der Implementierung einer Nullstromschaltung (ZCS) auf der Sekundärseite kann die Effizienz durch Minimierung der Schaltverluste beim Ausschalten zusätzlich erhöht werden. CLLC-Wandler erfordern eine präzise Steuerung, um die Resonanzfrequenz und die Schaltfolgen effektiv zu verwalten.

Der DAB-Wandler besteht aus zwei aktiven Vollbrückenschaltungen auf der Primär- und Sekundärseite, die durch einen Hochfrequenztransformator verbunden sind. Ähnlich wie bei der CLLC-Topologie bestehen beide Brücken aus aktiven Schaltern, die einen bidirektionalen Leistungsfluss ermöglichen. In der Regel werden SiC-MOSFETs für die Schalter Q1 bis Q4 und Si-MOSFETs für Q5 bis Q8 verwendet. DAB-Wandler erfordern ausgeklügelte Steueralgorithmen, um die Phasenverschiebung zwischen den Brücken präzise zu steuern.

Die ANPC-Topologie (Active Neutral Point Clamped) ist eine erweiterte Wechselrichterkonfiguration im Hinblick auf die Wechselrichterstufe. Basierend auf der herkömmlichen NPC-Topologie (Neutral Point Clamped) werden aktive Schalter hinzugefügt, die zur Reduzierung von Leitungs- und Schaltverlusten beitragen. Der ANPC-Wechselrichter kann mehrere Spannungspegel erzeugen, wodurch die Spannungsbelastung der einzelnen Komponenten minimiert wird. Gleichzeitig wird eine gleichmäßigere Wechselstromabgabe mit geringerer harmonischer Verzerrung gewährleistet. Die Schalter Q1 bis Q4 schalten mit Netzfrequenz, während Q5 und Q6 mit 50 kHz oder noch höher modulieren. Bei ANPC-Topologien können alle Leistungsschalter mit einer Durchbruchspannung von 600 oder 650 V ausgelegt sein. Die Verwendung von SiC-MOSFETs für die Schalter Q5 und Q6 steigern die Effizienz und Leistungsdichte. Für den ANPC-Wechselrichter sind ausgefeilte Steueralgorithmen erforderlich. Der Entwurf und die Steuerung dieser Topologie ist im Vergleich zu Topologien wie der H-Brücke komplexer.

Die aus vier Schaltelementen bestehende H-Brücken-Topologie ist aufgrund ihrer Einfachheit, Effizienz und Vielseitigkeit beliebt. 650V-SiC-MOSFETs oder GaN-HEMT (Galliumnitrid-Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit) werden üblicherweise für die schnellen Schalter Q3 und Q4 verwendet, während sich für Q1 und Q2 am besten Si-MOSFETs mit schneller Body-Diode eignen. Der Hauptnachteil dieses Zwei-Pegel-Betriebs liegt darin, dass er einen relativ großen Ausgangsfilter erfordert, da während des Freilaufs Energie in den Gleichstromkondensator zurückgespeist wird.

Die HERIC-Topologie (Highly Efficient and Reliable Inverter Concept) hat einen hohen Wirkungsgrad und eine hervorragende Leistung bei der Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom. Bei dieser Konfiguration werden dem herkömmlichen H-Brücken-Wechselrichter zwei antiparallele Schalter Q5 und Q6 hinzugefügt, um die Wechselstromseite in einer Nullstufe von den PV-Modulen zu entkoppeln. Diese Topologie besteht aus sechs Schaltern: die vier Schalter auf der H-Brücke (Q1 bis Q4) schalten mit hoher Frequenz, die beiden externen Schalter mit Netzfrequenz. Die Schalter Q5 und Q6 leiten den Freilaufstrom während der Zeit, in der die Ausgangsspannung des H-Brücken-Wechselrichters Null beträgt, auf dem kürzesten Weg weiter. Der Hauptvorteil des HERIC-Wechselrichters besteht darin, dass in allen Betriebsarten nur zwei Schalter gleichzeitig schalten.

Bauelemente auf Basis von Halbleitern mit breitem Bandabstand (Wide Bandgap, WBG) bieten klare Vorteile für bidirektionale DC/DC-Wandler- und DC/AC-Wechselrichtertopologien. SiC- und GaN-Bauelemente weisen eine sehr geringe Sperrverzögerungsladung (Qrr) auf und kommen oft sogar ohne Body-Diode aus, wodurch Verluste durch harte Kommutierung bzw. Sperrverzögerungsverluste vollständig eliminiert werden.

Überlegungen zu Installation und Wartung für eine optimale Leistung

Die richtige Dimensionierung sowohl der Photovoltaikanlage als auch des Energiespeichersystems entscheidet über die optimale Leistung. Dazu gehört die Berechnung des Energiebedarfs, der Leistung der Solarmodule und der erforderlichen Batteriekapazität. Eine Über- oder Unterdimensionierung kann zu Ineffizienzen und höheren Kosten führen. Die Kompatibilität von Solarwechselrichter und Batteriespeichersystem ist von zentraler Bedeutung. Einige Hersteller bieten integrierte Lösungen an, die die Installation und den Betrieb vereinfachen. Die Kompatibilität bezieht auch die Software und die Überwachungssysteme mit ein, die zur Verwaltung des Gesamtenergieflusses und der Leistung zum Einsatz kommen.

Abhängigkeit vom Stromnetz verringern, Solarenergie optimal nutzen

Energiespeicher in Photovoltaikanlagen sind ein wichtiger Schritt, um Solarenergie besser zu nutzen. Eine zuverlässige und stabile Stromversorgung verringert die Abhängigkeit vom Stromnetz und optimiert die Nutzung der Solarenergie. Diese Systeme bieten zahlreiche wirtschaftliche und ökologische Vorteile. SiC- und GaN-Leistungsbauelemente ermöglichen einen bidirektionalen Stromfluss für synchrone Gleichrichtertopologien und erzielen dabei einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Leistungsdichte. Die Förderung der Energieeffizienz war schon immer ein zentrales Anliegen von Arrow Electronics. Wir möchten einen Beitrag zu dieser Diskussion leisten, indem wir die wesentlichen Vorteile der 650-V-, 1.200-V- und 2.200-V-SiC-Bauelemente mit Referenzplatinen aufzeigen, die den Entwicklungsaufwand verringern und die Markteinführungszeit verkürzen. (mk)

* Omara Aziz ist Global Power & Analog Segment Leader bei Arrow Electronics

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