Wechselrichter für Kleinwindanlagen - Grundlagen

Grundlagen zu Wechselrichtern für Kleinwindanlagen

Wechselrichter KleinwindanlagenGastbeitrag von Torsten Pinkert, Hochschule Zittau/Görlitz.

Während in die Weiterentwicklung von Windgeneratoren viel Mühe investiert wird, wird den anderen Komponenten von Kleinwindanlagen oft wenig Beachtung geschenkt. Wechselrichter sind ein wesentlicher Bestandteil der meisten Kleinwindkraftanlagen. Nur in den seltensten Fällen sind Wechselrichter Eigenentwicklungen der Windradhersteller. Also werden Wechselrichter zugekauft und man erwartet, dass sie funktionieren. Auch bei Wechselrichtern gibt es jedoch Qualitätsunterschiede. Um zumindest nicht komplett im Dunkeln zu tappen, sollte man also über die grundlegende Funktionsweise Bescheid wissen.
Vorliegender Artikel wendet sich vor Allem an Nichtfachleute, die aber schon immer mal wissen wollten, wie so ein „Ding“ funktioniert. Deshalb wurde auch auf viele technische Details und tiefergehende Erklärungen verzichtet. Stattdessen wird versucht, alles möglichst Allgemeinverständlich zu erklären.
Auf weitere technische Details der Wechselrichter und die Messergebnisse, die im Rahmen des Forschungsprojektes der Hochschule Zittau/Görlitz gewonnen wurden, wird in einem späteren Artikel eingegangen. Um Unterschiede zu den Windwechselrichtern deutlich zu machen, werden aber kurz PV-Wechselrichter erläutert, obwohl es sich hier um ein Kleinwindportal handelt.

Was machen Wechselrichter?

Wechselrichter sind Geräte, die aus Gleichspannung Wechselspannung erzeugen. In den meisten Fällen hat die Ausgangsspannung auch einen anderen Wert wie die Eingangsspannung. Die gebräuchlichste Variante ist die Transformierung auf eine höhere Ausgangsspannung.

Zudem gibt es Wechselrichter für Inselbetrieb und Netz(parallel)betrieb. Bei Wechselrichtern für Netzbetrieb muss noch eine Synchronisation mit der Netzfrequenz erfolgen (vor der Zuschaltung). Diese Synchronisation ist in die Wechselrichter für Netzbetrieb bereits integriert und erfolgt automatisch.
Bei Wechselrichtern für Inselbetrieb gibt es diese Synchronisation nicht, da keine Verbindung mit dem öffentlichen Stromnetz besteht. Deshalb sind Insel-Wechselrichter auch nicht für den Netzparallelbetrieb geeignet.

Bei vielen Wechselrichtern für Kleinwindanlagen handelt es sich um Geräte für Netzparallelbetrieb, da die meisten Kleinwindkraftanlagen an das Hausstromnetz angeschlossen sind. Der Preis von Netz-Wechselrichtern ist meist höher, da ein wenig mehr Elektronik drin steckt, als in den Inselbetrieb-Wechselrichtern.

Funktionsweise von Wind-Wechselrichtern

Bei Windwechselrichtern erfolgt die Leistungsanpassung mit einer sog. „Powercurve“ (auch U/P-Kennlinie genannt). Einer bestimmten Eingangsspannung muss eine bestimmte Ausgangsleistung zugeordnet werden. Diese Kennlinie wird vor Inbetriebnahme in den Wechselrichter einprogrammiert und ist im Wesentlichen abhängig vom verwendeten Windgenerator. Idealerweise fließen auch Standortfaktoren in diese Kurve mit ein. Das können z.B. Windturbulenzen sein, so dass die Windturbine nicht die Leistung bringt, die sie bei idealer Anströmung hätte. Das muss bei der Programmierung der U/P-Kennlinie berücksichtigt werden.

Der Eingangsspannungsbereich bei Wind-Wechselrichtern ist sehr viel grösser als bei Solar-Wechselrichtern. Es gibt Wind-Wechselrichter, die Eingangsspannungen von 0-600 Volt umsetzen können.

Da die meisten Windräder permanentmagneterregte Wechselstromgeneratoren haben, muss vor Einspeisung in den Wechselrichter eine Gleichrichtung der Generatorspannung erfolgen. Am Eingang des Wechselrichters schützt ein Lastwiderstand den Wechselrichter vor Überspannung. Dieser wird bei zu viel Wind durch eine Elektronik zugeschaltet.

Funktionsweise von Solar-Wechselrichtern

Die Leistung die PV-Zellen liefern können, hängt im Wesentlichen von der Helligkeit ab. Diese ändert sich natürlich in Abhängigkeit von der Tageszeit und dem Wetter. Um immer die maximal mögliche Leistung zu erzeugen, wurde das sog. Maximum Power Point Tracking (MPPT) entwickelt.
Das Grundprinzip ist eine ständige Messung von Strom und Spannung am Eingang des Wechselrichters. Aus diesen beiden Werten wird die Leistung berechnet. Nun versucht der Wechselrichter, durch Änderung der eingespeisten Leistung, das Optimum zu finden. Also den Punkt, wo die Leistung (Produkt aus Strom und Spannung) maximal wird. Dieser Punkt wird „Maximum Power Point“ genannt. Vielen Audiotechnikern ist dieser Punkt unter dem Begriff “Anpassung“ bekannt.
Dieser MPP ist in ständiger Bewegung, je nach Helligkeit. Also muss auch der Wechselrichter ständig nachregeln und die eingespeiste Leistung der veränderten Helligkeit anpassen. Diese Art der ständigen Reglung wird Maximum Power Point Tracking (MPPT) genannt. Aus diesem Grund ist bei PV-Wechselrichtern die Programmierung einer U/P-Kennlinie nicht nötig.

Wirkungsgrad von Wechselrichtern

Einer der wichtigsten technischen Daten eines Wechselrichters ist der Wirkungsgrad. Dieser ist ein Maß dafür, wie effizient die Umwandlung der Spannung erfolgt. Ein guter Wirkungsgrad ist also auch Maß für die Qualität eines Wechselrichters.

Ermittelt wird der Wirkungsgrad indem man die Ausgangsleistung durch die Eingangsleistung teilt. Der Wirkungsgrad liegt also zwischen 0 und 1 (0…100%). Die 100% werden jedoch nie erreicht, denn das würde bedeuten, dass der WR die Umsetzung der Spannung ohne jegliche Verluste vornimmt.
Hersteller geben im optimalen Betriebsbereich Wirkungsgrade von bis zu 98% an. Allerdings ist eine solche Angabe mit Vorsicht zu genießen. Denn er wird oft nur für einen bestimmten Punkt angegeben. Realistisch betrachtet, sollten Werte von 95% erreicht werden. Doch der Wirkungsgrad ist nicht überall gleich, vor allem weil der Eingangsspannungsbereich von Wind-Wechselrichtern sehr weitläufig sein muss.

Generell kann festgestellt werden, dass der Wirkungsgrad umso schlechter ist, je höher die Differenz zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung sein soll. Dass hat hauptsächlich technische Gründe und ist nicht zu vermeiden. Wind-Wechselrichter laufen bei Kleinwindanlagen höchst selten mit maximaler Leistung, deshalb ist gerade der Wirkungsgrad im Teillastbereich von besonderem Interesse. Seriöse Hersteller von Wechselrichtern stellen diese Abhängigkeit in einem Diagramm dar und legen die Kennlinie dem Datenblatt bei.

Mit Hilfe des Diagramms kann man den Wirkungsgrad in Abhängigkeit zur eingespeisten Leistung ablesen. Im Teillastbereich kann der Wirkungsgrad sehr viel schlechter sein, als im Datenblatt angegeben. Liegt man hier oberhalb der 90% kann man schon Zufrieden sein. Im Zweifel sollte man den Wirkungsgrad durch Messungen selbst ermitteln.

Solar-Wechselrichter für Windanlagen?

Viele Kleinwindanlagenbesitzer fragen sich häufig, warum Solarwechselrichter nicht auch für Windanlagen eingesetzt werden können. Einer der Gründe warum das nicht geht, ist der Eingangsspannungsbereich. Bei Solar-WR ist dieser nicht sehr groß (z.B. 100-200 Volt).

Der Hauptgrund ist jedoch die Leistungsreglung (MPPT). Würde man Windgeneratoren an Solar-Wechselrichter anschließen, müsste der Generator Kurzschlussfest sein. Auch würde der Generator sehr warm werden, da aufgrund des Zustands der Anpassung, die Hälfte der Leistung im Generator in Wärme umgesetzt würde. Auch die Geschwindigkeit der Reglung bei Solar-Wechselrichtern ist langsamer als bei Wind-Wechselrichtern.

Mittlerweile werden aber von einigen Herstellern sog. Hybridwechselrichter angeboten. Diese haben zwei Eingänge, einen für Wind und einen für Solar. Die Analyse eines solchen Hybridwechselrichters wird in unserem Forschungsprojekt gerade vorgenommen.

Über den Autor: Torsten Pinkert

Vor seinem Studium in Dresden war Torsten Pinkert einige Jahre als Elektriker und Elektroniker in verschiedenen Firmen tätig. Über die Zwischenstation „staatlich geprüfter Techniker“ erfolgte die Qualifikation zum Diplomingenieur für Kommunikationstechnik. Schon während des Studiums war der Autor in einem Ingenieurbüro tätig, welches Schwingungsmessungen an Großwindanlagen vornimmt. Dort war er für die Wartung der Messtechnik zuständig. Nach dem Studium folgte die Beschäftigung in einem kooperativen Forschungsprojekt, wo es um die Weiterentwicklung einer Hochleistungsstromquelle (zweistelliger Kilowattbereich) ging. Üblicherweise beinhalten diese Stromquellen dieselbe Topologie wie Wechselrichter. Im Speziellen war der Autor für den Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) zuständig.

Seit 2013 ist der Autor als Elektroingenieur in einem interdisziplinären Team von Forschern tätig, welches an der Gebäudeintegration von Kleinwindanlagen arbeitet. Dabei sollen nicht nur technische und wirtschaftliche Belange berücksichtigt werden. Es geht auch um gestalterische und soziokulturelle Aspekte. So soll z.B. auch die Akzeptanz von Kleinwindanlagen im urbanen Raum von der Forschergruppe untersucht werden. Das Forschungsprojekt endet am 31.12.2014. Der Leiter der Forschungsgruppe ist Prof. Bolsius von der Hochschule Zittau/Görlitz.

Internetseite:
Forschungsprojekt Gebäudeintegrierte Windnutzung

Kontaktdaten:
Dipl.-Ing.(FH) Torsten Pinkert
Fakultät Wirtschaftswissenschaften und Wirtschaftsingenieurwesen
Nachwuchsforschergruppe „Gebäudeintegrierte Windnutzung“
Theodor-Körner-Allee 16
02763 Zittau
Mail: t.pinkert@hszg.de
Tel.: 03583/611418 (bin nur selten im Büro)
 
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