Eine der Herausforderungen der Solarenergie ist ihre intermittierende Natur. Die Sonne scheint nicht immer, und die Energieproduktion kann unregelmäßig sein. Solarwechselrichter benötigen daher einen hohen Wirkungsgrad und erweiterte Leistungsfähigkeit. Die Integration von Energiespeichersystemen (ESS) erweist sich hier als leistungsstarke Lösung für eine konstante und zuverlässige Energieversorgung. Mit fortschreitender Technologie und sinkenden Kosten wird die Nutzung von Solarenergiesystemen mit Speicherkapazität voraussichtlich zunehmen und so den Weg für eine nachhaltigere und widerstandsfähigere Energiezukunft ebnen. Dieser Artikel untersucht die Vorteile, Typen und Topologien der Integration von Energiespeichern in Photovoltaikanlagen für private und gewerbliche Installationen.

Wie Solarwechselrichter und Energiespeicher funktionieren

Solarwechselrichter sind das Herzstück einer Photovoltaikanlage. Sie wandeln den von den Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um, der dann ins Stromnetz eingespeist werden kann. Neben der Umwandlung steuern Solarwechselrichter den Energiefluss, optimieren die Systemleistung und gewährleisten die Sicherheit.

Energiespeichersysteme (ESS) speichern Energie zur späteren Verwendung, um Angebot und Nachfrage auszugleichen und die Netzstabilität zu verbessern. Es gibt verschiedene Arten von ESS, wie zum Beispiel:

• Batteriespeichersysteme (BESS), wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte, ihres Wirkungsgrades und ihrer sinkenden Kosten eingesetzt. Sie finden häufig Verwendung in der Netzspeicherung und in Elektrofahrzeugen.
• Mechanische Speichersysteme , wie beispielsweise Pumpspeicherkraftwerke, sind die etablierteste Technologie zur großtechnischen Energiespeicherung. Sie basieren auf dem Wassertransport zwischen zwei unterschiedlich hoch gelegenen Speichern. Diese Art der Energiespeicherung bietet die höchste Speicherkapazität.
• Thermische Speichersysteme , wie zum Beispiel Schmelzsalzspeicher , werden in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt, um Wärme zu speichern und bei Bedarf Strom zu erzeugen, insbesondere in kommerziellen Anwendungen zur kurzfristigen Speicherung.

In PV-Systemen werden häufig Lithium-Ionen -Batteriespeicher eingesetzt, um überschüssigen Solarstrom zu speichern und so eine konstante und zuverlässige Versorgung während der Spitzenlastzeiten, nachts und an bewölkten Tagen zu gewährleisten.

Vorteile der Integration von Energiespeichern in Solarwechselrichter

Die Integration von Energiespeichersystemen (ESS) in Solarwechselrichter sorgt für Energieunabhängigkeit und -sicherheit. Durch die Speicherung überschüssiger Solarenergie können Nutzer ihre Abhängigkeit vom Stromnetz reduzieren und eine konstante Versorgung auch bei Stromausfällen oder geringer Solarstromerzeugung gewährleisten. So können sie die gespeicherte Solarenergie bei Bedarfsspitzen oder höheren Strompreisen nutzen, Kosten senken und die Belastung der elektrischen Infrastruktur minimieren. Darüber hinaus können ESS zur Frequenzregelung beitragen und die Gesamtleistung des Stromnetzes optimieren.

Segmentierung von Energiespeichersystemen

Energiespeichersysteme (ESS) werden in zwei Segmente unterteilt: Inline-Speicher (FTM) und Backline-Speicher (BTM). FTM-Speicher werden typischerweise mit Hochleistungssystemen über 5 MW eingesetzt, während BTM-Speicher in Photovoltaikanlagen von Wohnhäusern und Gewerbebetrieben mit einer Leistung von wenigen Kilowatt bis zu 5 Megawatt integriert werden.

Arten von Solarwechselrichtern

String-Wechselrichter funktionieren, indem Solarmodule in Reihe geschaltet werden. Der von den Modulen erzeugte Gleichstrom wird an einen Wechselrichter geleitet, der ihn in Wechselstrom umwandelt. Sie werden häufig in Wohnhäusern, Gewerbebetrieben und bei Energieversorgern eingesetzt. Bei dreiphasigen Wechselrichtern wird eine Modulspannung von 1000 bis 1500 V Gleichstrom mit einem Aufwärtswandler verwendet. String-Wechselrichter sind kostengünstig und einfach zu installieren und zu warten. Ein Problem kann auftreten, wenn eines der Module im String verschattet ist oder unterhalb seiner Nennleistung arbeitet, da dies die Leistung des gesamten Systems beeinträchtigen kann.

Mikro-Wechselrichter sind so konzipiert, dass sie jedes Modul einzeln anschließen und den von jedem Modul erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln. Anders als String-Wechselrichter, die in Reihe geschaltet sind, werden sie parallel geschaltet. Daher beeinträchtigt eine Verschattung oder ein Betrieb unterhalb der Nennleistung eines Moduls die Leistung der anderen nicht. Die typische Ausgangsleistung von Mikro-Wechselrichtern liegt zwischen 200 W und 1,5 kW bei einer Photovoltaik-Anlagenspannung von 40 bis 80 V. Dieser Wechselrichtertyp eignet sich ideal für Wohngebäude, in denen die Module unterschiedlich ausgerichtet sein können, da er die Leistung jedes einzelnen Moduls maximiert und so die Auswirkungen von Verschattung oder Fehlausrichtung minimiert. Der Hauptnachteil sind die hohen Anschaffungskosten.

Die Integration von Energiespeichern (ESS) in Photovoltaik-Solaranlagen führt zu einem Hybrid-Wechselrichter. Dieser Wechselrichtertyp arbeitet in beide Richtungen: Der erzeugte Gleichstrom wird entweder direkt in Wechselstrom umgewandelt oder vor der Umwandlung gespeichert. Hybrid-Wechselrichter optimieren Energienutzung und -speicherung, indem sie den Stromfluss zwischen Solarmodulen, Batterien und Netz steuern und so die Priorisierung von Batterieladung, Netzanschluss oder Eigenverbrauch ermöglichen.

Energiespeicherintegrationssysteme

Es gibt zwei Ansätze zur Integration von Energiespeichersystemen (ESS) in Photovoltaikanlagen: AC-gekoppelte ESS und DC-gekoppelte ESS. Der grundlegende Unterschied zwischen einem AC-gekoppelten und einem DC-gekoppelten System liegt im Weg des Stroms, nachdem er von den Solarmodulen erzeugt wurde.

In einem AC-gekoppelten System sind die PV-Anlage und das Energiespeichersystem (ESS) über ihre jeweiligen Wechselrichter an das Wechselstromnetz angeschlossen. Die Solarmodule erzeugen Gleichstrom, der von einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt wird. Das ESS ist typischerweise mit eigenen bidirektionalen DC/DC-Wandlern und Wechselrichtern zum Laden und Entladen in das Wechselstromnetz ausgestattet.

Im Gegensatz dazu teilen sich in einem DC-gekoppelten System die Solarmodule und der Batteriespeicher einen DC-Bus und nutzen primär einen einzigen Wechselrichter, um Gleichstrom in Wechselstrom für das Stromnetz oder den Hausgebrauch umzuwandeln. Die Solarmodule können die Batterien direkt laden, und bei Bedarf wird der gespeicherte Gleichstrom durch einen Hybrid-Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt.

Leistungstopologien für String-Wechselrichter und Energiespeichersysteme

Für die Auslegung der DC/DC-Wandler- und DC/AC-Wechselrichterstufen können verschiedene Leistungselektroniktopologien verwendet werden. Unterschiedliche Topologien bieten spezifische Vorteile und werden anhand der Anforderungen an Leistung, Wirkungsgrad, Kosten und Komplexität ausgewählt. Im Folgenden sind einige der gängigsten Topologien aufgeführt:

In der ersten Stufe des Wechselrichters optimiert der Maximum Power Point Tracker (MPPT) die Energieproduktion einer Photovoltaikanlage, indem er die Leistung jedes einzelnen Solarmoduls im Array individuell optimiert. Er passt den Ausgangsstrom des Moduls an dessen optimalen Leistungspunkt an, bevor die Energie an den Wechselrichter weitergeleitet wird. Diese Optimierung ist entscheidend, da die Leistung eines Solarmoduls durch Schwankungen der Sonneneinstrahlung, Verschattung, Temperatur und Ausrichtungsfehler variieren kann.

Der aktuelle Trend geht dahin, die Zwischenkreisspannung auf 1000 V oder 1500 V zu erhöhen, um Energieverluste im System zu reduzieren und die Reihenschaltung weiterer Solarmodule zu ermöglichen. Durch die Erhöhung der maximalen Zwischenkreisspannung eines Solarwechselrichters auf 1500 V oder höher werden Photovoltaikanlagen wirtschaftlicher. Typische Topologien für diese Stufe sind der Interleaved-Booster, die Vollbrücken-Phasenumtastung (PSFB) und der LLC-Wandler.

Die zweite Wandlungsstufe besteht aus einem bidirektionalen DC/DC-Wandler. Diese Stufe dient zum Laden bzw. Speichern von Energie in der Batterie und zum Entladen bzw. Abgeben dieser Energie bei Bedarf. Typische isolierte Topologien sind CLLC und DAB.

Die Leistungsstufe des Wechselrichters wandelt die Zwischenkreisspannung in Wechselspannung für das Stromnetz um. Gängige Topologien sind die B6- und die zweistufige H-Brücke sowie die dreistufigen ANPC- und HERIC-Topologien. Mehrstufige Wechselrichtertopologien sind in Anwendungen mit mittlerer und hoher Leistung weit verbreitet. Die Vorteile der Verwendung dreistufiger Wechselrichtertopologien sind folgende:

1. Verringerung der Verlustleistung, was einen kleineren Kühlkörper zur Folge hat;
2. Spannungswelligkeitsreduzierung zur Vereinfachung der Filterung durch geringeren Oberwellengehalt;
3. deutlich geringere leitungsgebundene elektromagnetische Störungen.

DC-DC-Topologien

Für eine PSFB-Topologie mit Nulldurchgangsschaltung (ZVS) wird in einer 400-V-DC-Zwischenkreiskonfiguration mit 650-V-SiC-MOSFETs für die Halbleiter Q1 bis Q4 empfohlen, um hohe Effizienz und Leistungsdichte zu erzielen. Die Halbleiter werden mittels Phasenverschiebung angesteuert, sodass sie sich einschalten, wenn die Spannung an ihnen null beträgt. Dies reduziert Schaltverluste und elektromagnetische Störungen (EMI) sowie die Spannungsbelastung der Halbleiterbauelemente erheblich. Für D1 und D2 auf der Primärseite sind 650-V-SiC-Dioden die optimale Wahl. Bei einer 800-V-DC-Zwischenkreiskonfiguration sollten 1200-V-SiC-Dioden und -MOSFETs verwendet werden. Auf der Sekundärseite der Schalter Q5 bis Q8 hängt die Auswahl der Leistungsschalter von der Batteriespannung ab. Beispielsweise verwenden private Energiespeichersysteme typischerweise 48-V-Batterien, während im gewerblichen Bereich eher 400-V-Batterien zum Einsatz kommen.

Eine der gängigsten Topologien für bidirektionale DC/DC-Wandler ist der CLLC-Wandler. Er verwendet zwei Induktivitäten (L) und zwei Kondensatoren (C) in einem parallelen Resonanzkreis. Die Anordnung ähnelt typischerweise einem LLC-Kreis, der sowohl auf der Primär- als auch auf der Sekundärseite spiegelbildlich dargestellt ist. Für die Schalter Q1 bis Q4 werden SiC-MOSFETs verwendet, während für Q5 bis Q8 Si-MOSFETs zum Einsatz kommen. Das CLLC-Design ermöglicht Nulldurchgangsschaltung (ZC) der Halbleiter auf der Primärseite, wodurch die Schaltverluste reduziert und der Wirkungsgrad verbessert werden. Auf der Sekundärseite kann Nulldurchgangsschaltung (ZCS) erreicht werden, um den Wirkungsgrad durch Minimierung der Schaltverluste beim Abschalten weiter zu steigern. Der CLLC-Wandler erfordert eine präzise Steuerung, um die Resonanzfrequenz und die Schaltsequenzen effektiv zu regeln.

Der DAB-Wandler besteht aus zwei aktiven Vollbrückenschaltungen auf der Primär- und Sekundärseite, die über einen Hochfrequenztransformator verbunden sind. Ähnlich der CLLC-Topologie verfügen beide Brücken über aktive Schalter, die einen bidirektionalen Leistungsfluss ermöglichen. Typischerweise werden für die Schalter Q1 bis Q4 SiC-MOSFETs und für die Schalter Q5 bis Q8 Si-MOSFETs verwendet. Der DAB-Wandler benötigt fortschrittliche Regelalgorithmen, um die Phasenverschiebung zwischen den Brücken präzise zu steuern.

Wechselrichtertopologien (DC-AC)

Die Active Fixed Neutral Point (ANPC)-Topologie ist eine fortschrittliche Wechselrichterkonfiguration. Sie baut auf der herkömmlichen Fixed Neutral Point (NPC)-Topologie auf und ergänzt diese durch aktive Schalter, die Leitungs- und Schaltverluste reduzieren. Der ANPC-Wechselrichter kann drei Spannungspegel erzeugen, wodurch die Spannungsbelastung der einzelnen Komponenten verringert und somit eine stabilere Wechselstromausgangsspannung mit geringerer Gesamtklirrfaktor (THD) erzielt wird. Die Schalter Q1 bis Q4 arbeiten mit Netzfrequenz, während Q5 und Q6 mit 50 kHz oder höher modulieren. In einem ANPC-Wechselrichter können alle Leistungsschalter eine Nenn-Durchbruchspannung von 600 oder 650 V aufweisen. Der Einsatz von SiC-MOSFETs für die Schalter Q5 und Q6 erhöht Wirkungsgrad und Leistungsdichte. Der ANPC-Wechselrichter erfordert fortschrittliche Regelalgorithmen. Im Vergleich zu Topologien wie der H-Brücke ist diese Topologie komplexer in Design und Regelung.

Die H-Brücken-Topologie ist aufgrund ihrer Einfachheit, Effizienz und Vielseitigkeit beliebt, da sie aus vier Schaltelementen besteht. Für die schnelle Schaltleitung werden in Q3 und Q4 typischerweise 650-V-SiC-MOSFETs oder GaN-HEMTs verwendet, während für Q1 und Q2 Si-MOSFETs mit einer schnellen Body-Diode (SJ-MOSFET) die geeignete Wahl sind. Der Hauptnachteil dieses zweistufigen Betriebs ist die Verwendung eines relativ großen Ausgangsfilters, da dieser während des freien Stromflusses zum DC-Kondensator Energie zurückgewinnt.

Die HERIC-Topologie (Highly Efficient and Reliable Inverter Concept) zeichnet sich besonders durch ihren hohen Wirkungsgrad und ihre überlegene DC/AC-Wandlungsleistung aus. In dieser Konfiguration werden dem herkömmlichen H-Brücken-Wechselrichter zwei antiparallele Schalter (Q5 und Q6) hinzugefügt, um die AC-Seite der Photovoltaikmodule zu trennen, wenn keine Stromerzeugung stattfindet. Die Topologie besteht aus sechs Halbleitern: Die vier in der H-Brücke (Q1 bis Q4) schalten mit hoher Frequenz, die beiden externen mit Netzfrequenz. Die Halbleiter Q5 und Q6 ermöglichen es dem Strom, in Zeiten, in denen die Ausgangsspannung des H-Brücken-Wechselrichters null ist, den kürzesten Weg zu nehmen. Der Hauptvorteil des HERIC-Wechselrichters liegt darin, dass in allen Betriebsmodi nur zwei Schalter gleichzeitig arbeiten.

Breitbandbauelemente (WBG) bieten deutliche Vorteile für bidirektionale DC/DC-Wandler und DC/AC-Wechselrichter. SiC- und GaN-Bauelemente weisen sehr geringe Schaltenergien und vernachlässigbare oder sogar keine Sperrverzögerungsladungen (Qrr) auf, wodurch Schalt- und Sperrverzögerungsverluste reduziert werden.

Abschluss

Die Integration von Energiespeichern in Photovoltaikanlagen stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Nutzung von Solarenergie dar. Eine zuverlässige und konstante Stromversorgung reduziert die Netzabhängigkeit und maximiert die Solarenergieausnutzung. Diese Systeme bieten zahlreiche wirtschaftliche und ökologische Vorteile. SiC- und GaN-Bauelemente ermöglichen bidirektionalen Stromfluss für synchrone Gleichrichtungstopologien und erzielen so hohe Wirkungsgrade und Leistungsdichten. Arrow Electronics hat sich stets für Energieeffizienz eingesetzt und möchte zu dieser Diskussion beitragen, indem wir die klaren Vorteile von 650-V-, 1200-V- und 2200-V-SiC-Bauelementen anhand von Evaluierungsboards demonstrieren, die den Designprozess vereinfachen und die Markteinführungszeit verkürzen.

Omara Aziz – Globale Segmentleiterin für Leistungstechnologie, Arrow Electronics