Was ist ein Wechselrichter?

Mar 21, 2025

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Ein Wechselrichter ist eines der wichtigsten Geräte in einer Solaranlage. Es handelt sich um ein Gerät, das den von den Solarmodulen erzeugten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandelt, der vom Netz verwendet wird. Bei Gleichstrom fließt der Strom in eine Richtung mit einer konstanten Spannung. Bei Wechselstrom fließt der Strom in einem Stromkreis in beide Richtungen, wenn sich die Spannung von positiv zu negativ ändert. Ein Wechselrichter ist nur eine Art von leistungselektronischem Gerät, das den Stromfluss reguliert.

Grundsätzlich wandelt ein Wechselrichter Gleichstrom in Wechselstrom um, indem er die Richtung des Gleichstromeingangs sehr schnell hin und her schaltet. So wird aus dem Gleichstromeingang ein Wechselstromausgang. Mit Hilfe von Filtern und anderen elektronischen Geräten kann eine Spannung erzeugt werden, die in Form einer sauberen, sich wiederholenden Sinuswelle schwankt und in das Netz eingespeist werden kann. Eine Sinuswelle ist die Form oder das Muster von Spannungsänderungen im Laufe der Zeit, und es handelt sich um ein Strommuster, das das Netz nutzen kann, ohne elektrische Geräte zu beschädigen, die für den Betrieb bei einer bestimmten Frequenz und Spannung ausgelegt sind.

Die ersten Wechselrichter wurden im 19. Jahrhundert entwickelt und waren mechanisch. Ein rotierender Motor konnte verwendet werden, um den Vorwärts- oder Rückwärtsanschluss einer Gleichstromquelle kontinuierlich zu ändern. Heute stellen wir elektrische Schalter mit Transistoren her, die Festkörperbauteile ohne bewegliche Teile sind. Transistoren werden aus Halbleitermaterialien wie Silizium oder Galliumarsenid hergestellt. Sie steuern den Stromfluss auf der Grundlage externer elektrischer Signale.

Wenn Sie eineHeimsolaranlagehat Ihr Wechselrichter wahrscheinlich mehrere Funktionen. Neben der Umwandlung von Solarenergie in Wechselstrom kann er das System überwachen und ein Portal für die Kommunikation mit Computernetzen bereitstellen. Solar-plus-Batteriespeichersysteme sind auf fortschrittliche Wechselrichter angewiesen, um bei Stromausfällen ohne Netzunterstützung arbeiten zu können (sofern sie dafür ausgelegt sind).

Auf dem Weg zu einem umrichterbasierten Netz

In der Vergangenheit wurde Elektrizität hauptsächlich durch die Verbrennung von Brennstoff erzeugt, um Dampf zu erzeugen, der dann Turbinengeneratoren antreibt. Die Bewegung dieser Generatoren erzeugt Wechselstrom, während sich die Geräte drehen, was auch die Frequenz bestimmt, d. h. die Anzahl der Wiederholungen der Sinuswelle. Die Frequenz des Stromnetzes ist ein wichtiger Indikator für den Zustand des Netzes. Wenn beispielsweise die Last zu groß ist (zu viele Geräte, die Energie verbrauchen), dann wird schneller Energie aus dem Netz verbraucht, als es geliefert werden kann. Infolgedessen werden die Turbinen langsamer und die Frequenz des Wechselstroms sinkt. Da es sich bei den Turbinen um große, rotierende Objekte handelt, widerstehen sie Änderungen der Frequenz, so wie alle Objekte Änderungen der Bewegung widerstehen, eine Eigenschaft, die man Trägheit nennt.

Da immer mehr Solaranlagen in das Netz eingespeist werden, sind auch mehr Wechselrichter als je zuvor an das Netz angeschlossen. Wechselrichter können Energie bei jeder beliebigen Frequenz erzeugen und haben, da keine Turbine beteiligt ist, nicht die gleichen Trägheitseigenschaften wie die Dampferzeugung. Der Übergang zu einem Netz mit mehr Wechselrichtern erfordert daher die Entwicklung intelligenterer Wechselrichter, die auf Frequenzänderungen und andere Störungen während des Netzbetriebs reagieren und zur Stabilisierung des Netzes bei diesen Störungen beitragen können.

Netzdienstleistungen und Wechselrichter

Netzbetreiber steuern das Stromangebot und die Stromnachfrage im Stromnetz, indem sie eine Reihe von Netzdienstleistungen anbieten. Netzdienstleistungen sind Aktivitäten, die die Netzbetreiber durchführen, um das systemweite Gleichgewicht aufrechtzuerhalten und die Übertragung von Strom besser zu steuern.

Wenn das Netz nicht mehr erwartungsgemäß funktioniert, z. B. wenn die Spannung oder die Frequenz abweicht, können intelligente Wechselrichter auf verschiedene Weise reagieren. Im Allgemeinen besteht der Standard für kleine Wechselrichter, wie z. B. solche, die an ein Heim-Solarsystem angeschlossen sind, darin, bei kleinen Spannungs- oder Frequenzunterbrechungen eingeschaltet zu bleiben oder Unterbrechungen zu "überbrücken", und sie trennen sich automatisch vom Netz und schalten sich ab, wenn die Unterbrechung lange andauert oder größer als normal ist. Die Frequenzreaktion ist besonders wichtig, weil Frequenzeinbrüche mit unerwarteten Ausfällen der Stromerzeugung verbunden sind. Als Reaktion auf Frequenzänderungen sind Wechselrichter so konfiguriert, dass sie ihre Leistungsabgabe ändern, um die Standardfrequenz wiederherzustellen. Wechselrichterbasierte Ressourcen können auch auf Signale des Betreibers reagieren, um ihre Leistungsabgabe zu ändern, wenn andere Angebote und Nachfragen im Stromsystem schwanken. Um Netzdienste anbieten zu können, muss der Wechselrichter über eine Stromquelle verfügen, die er steuern kann. Dabei kann es sich um eine Erzeugungsquelle handeln, wie z. B. ein Solarmodul, das gerade Strom erzeugt, oder um einen Speicher, wie z. B. ein Batteriesystem, das verwendet werden kann, um zuvor gespeicherten Strom bereitzustellen.

Eine weitere Netzdienstleistung, die einige moderne Wechselrichter erbringen können, ist die Netzbildung. Netzbildende Wechselrichter können das Netz bei einem Netzfehler in Betrieb nehmen, ein Vorgang, der als Schwarzstart bezeichnet wird. Herkömmliche "netzgeführte" Wechselrichter benötigen ein externes Signal aus dem Netz, um zu bestimmen, wann sie umschalten müssen, um eine Sinuswelle zu erzeugen, die in das Netz eingespeist werden kann. Bei diesen Systemen liefert der Strom aus dem Netz das Signal, dem der Wechselrichter zu entsprechen versucht. Fortschrittlichere netzbildende Wechselrichter können das Signal selbst erzeugen. Ein kleines Solarmodulnetz könnte beispielsweise einen seiner Wechselrichter für den netzbildenden Betrieb bestimmen, und die übrigen Wechselrichter folgen ihm wie Tanzpartner und bilden ein stabiles Netz ohne turbinenbasierte Erzeugung.

Die Blindleistung ist eine der wichtigsten Netzdienstleistungen, die Wechselrichter erbringen können. Im Stromnetz wechselt die Spannung (die Kraft, die elektrische Ladungen antreibt) ständig hin und her, ebenso wie der Strom (die Bewegung elektrischer Ladungen). Wenn Spannung und Strom synchronisiert sind, wird die elektrische Energie maximiert. Manchmal kann es jedoch zu einer Verzögerung zwischen den beiden alternierenden Modi für Spannung und Strom kommen, z. B. wenn ein Motor in Betrieb ist. Wenn sie nicht synchron sind, kann ein Teil der durch den Stromkreis fließenden Energie nicht von den angeschlossenen Geräten aufgenommen werden, was zu Effizienzverlusten führt. Es wird mehr Gesamtleistung benötigt, um die gleiche Menge an "echter" Leistung zu erzeugen (die Leistung, die die Last aufnehmen kann). Um dem entgegenzuwirken, stellen die Versorgungsunternehmen Blindleistung zur Verfügung, um Spannung und Strom wieder in Einklang zu bringen, so dass der Strom leichter verbraucht werden kann. Diese Blindleistung wird nicht selbst verbraucht, sondern ermöglicht es, andere Leistung nutzbar zu machen. Moderne Wechselrichter können Blindleistung sowohl bereitstellen als auch aufnehmen, um dem Netz zu helfen, diese wichtige Ressource auszugleichen. Da Blindleistung nur schwer über große Entfernungen übertragen werden kann, sind dezentrale Energiequellen wie Solaranlagen auf dem Dach besonders nützliche Quellen für Blindleistung.