Wechselrichter, Leistungsoptimierer und Energiespeicher Photovoltaikanlagen durch Simulation ausgiebig testen

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Neben Wind- und Wasserkraft entwickelt sich die Solarenergie stetig weiter und die PV-Module werden immer effizienter. Für eine PV-Anlage werden aber nicht nur die Module benötigt, sondern auch Wechselrichter, Speicherzellen und Leistungsoptimierer. Sie alle müssen gründlich getestet werden.

Die Solarbranche in Deutschland erlebt derzeit einen Boom. Im Jahr 2022 werden in Deutschland 60,8 Terawattstunden Strom aus Photovoltaikanlagen erzeugt. Die jährlich erzeugte Strommenge ist seit der letzten Jahrhundertwende deutlich gestiegen. Bayern ist mit Abstand das Bundesland mit der höchsten Stromerzeugung aus Photovoltaikanlagen, gefolgt von Baden-Württemberg und Nordrhein-Westfalen [1].

Doch Photovoltaikmodule allein nützen nichts ohne die Elektronik dahinter. Dazu gehören unter anderem Speicherbatterien, Wechselrichter und Leistungsoptimierer. Solar- oder Photovoltaik- (PV)-Zellen wandeln die Strahlungsenergie des Sonnenlichts in elektrische Energie um. Dabei entsteht Gleichstrom, der in Speicherzellen gespeichert werden kann.

Wechselrichter und Leistungsoptimierer

Um jedoch mit dem Wechselstromnetz kompatibel zu sein, werden Wechselrichter benötigt. Erst dann ist eine Netzeinspeisung möglich. Ein weiterer Bestandteil der PV-Technik sind Leistungsoptimierer. Diese überwachen die Leistung der einzelnen Solarmodule. Diese sollen möglichst optimal und effizient arbeiten, auch wenn zum Beispiel Teilverschattung, wechselnde Sonneneinstrahlung oder die Temperatur des Moduls die Leistung reduzieren würden. Man spricht hier vom MPP (Maximum Power Point – der Punkt, an dem das Photovoltaikmodul seine maximale Leistung abgibt), der erreicht werden soll, um die größtmögliche Effizienz zu erzielen.

Im Prinzip sind PV-Leistungsoptimierer DC/DC-Wandler. PV-Module werden üblicherweise in einer Reihe (String) verschaltet. Wenn die Module aufgrund unterschiedlicher Verschattung, Ausrichtung oder anderer Faktoren ungleiche Erträge liefern, bestimmt das schwächste Modul die Gesamtleistung. Ein Leistungsoptimierer steuert das System so, dass alle Module im String mit ihrer maximalen Leistung zur Gesamtleistung beitragen.

DC-Stromversorgungen zur Simulation von Solarsystemen

Um diese Komponenten im PV-System zuverlässig und reproduzierbar testen zu können, ist eine Simulation der Solarzellen im Prüffeld notwendig. Hierzu wird die Serie IT-N2100 des Herstellers ITECH eingesetzt. Bei diesen Geräten handelt es sich um spezielle DC-Stromversorgungen zur Simulation von Solarsystemen. Sie ermöglichen eine schnelle Änderung der IV-Kennlinie bei einer maximalen Leistung bis 800 oder 1.500 W. Für höhere Leistungsbereiche über 1.500 W kann das IT6000B mit der Solar-Array-Software SAS1000 verwendet werden. Das Gerät unterstützt bis zu 144 kW und kann parallel bis zu 2 MW erweitert werden.

Damit kann die IV-Ausgangscharakteristik verschiedener Silizium-, GaAs- und anderer Solarmodultypen unter verschiedenen Bedingungen wie Temperatur, Licht, Verschattung und Alterung simuliert werden. Ein zu prüfender Wechselrichter oder PV-Leistungsoptimierer mit String-Wechselrichter wird vom Solarzellen-Simulator gezielt mit Gleichstrom versorgt, so wie es die Solarzellen in der realen Umgebung tun würden. Am Ausgang wird die Leistung der erzeugten Wechselspannung mit einem Leistungsanalysator untersucht. So können PV-Wechselrichter und -Leistungsoptimierer charakterisiert, getestet und hinsichtlich ihres Wirkungsgrades optimiert werden. Aber auch Batteriespeichersysteme in PV-Anlagen können mit dem Simulator zu Testzwecken realitätsnah geladen werden.

Niedrige Stromwelligkeit des Solarmodul-Simulators

Der Solarmodul-Simulator IT-N2100 bietet eine sehr niedrige Stromwelligkeit und unterstützt Prüfungen nach EN50530, Sandia, NB/T32004, CGC/GF004, CGC/GF035 für dynamische Modelltests sowie die Berichterstellung. Für automatisierte Systeme ist das Gerät mit den Standard-Kommunikationsschnittstellen LAN/Ethernet und USB ausgestattet, eine Software für Windows ist im Lieferumfang enthalten.

Tests in Entwicklung, Produktion und Qualitätssicherung umfassen heute die Prüfung vieler, oft auch sekundärer Komponenten von Systemen. Um zuverlässige und reproduzierbare Testbedingungen zu schaffen, müssen verschiedene andere Komponenten dieser Systeme simuliert werden, wie beispielsweise Solar-Arrays für den Test von PV-Wechselrichtern, Leistungsoptimierern oder Speicherbatterien. Spezialisierte Prüfeinrichtungen erleichtern dem Anwender den Aufbau solcher Testsysteme erheblich.

Referenz

[1] BMWK. „Erzeugte Strommenge durch Photovoltaik in Deutschland in den Jahren 2001 bis 2022 (in Gigawattstunden).“ Chart. 28. Februar, 2023. Statista. Zugegriffen am 19. September 2023.

* Ernst Bratz arbeitet bei Meilhaus Electronic.

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