Ein Wechselrichter wandelt Gleichstrom (Direct Current, DC), beispielsweise aus PV-Modulen oder einem Batteriespeichersystem (BESS), in Wechselstrom (Alternating Current, AC) um. Dabei erzeugt er eine Spannung, Frequenz und Phasenlage, die zum angeschlossenen Stromnetz oder lokalen AC-System passen. Bidirektionale BESS-Wechselrichter können Energie zusätzlich aus dem AC-System aufnehmen und als Gleichstrom in der Batterie speichern.

Wechselrichter auf einen Blick

• PV-Wechselrichter wandeln den Gleichstrom der PV-Module in netzkonformen Wechselstrom um und regeln den Arbeitspunkt des PV-Generators über Maximum Power Point Tracking (MPPT).
• BESS-Wechselrichter arbeiten in der Regel bidirektional und ermöglichen sowohl das Laden als auch das Entladen des Batteriespeichers.
• Netzgeführte Wechselrichter benötigen normalerweise ein vorhandenes Netzsignal. Für einen Insel- oder Ersatzstrombetrieb muss mindestens eine geeignete Komponente Spannung und Frequenz vorgeben.
• Wechselrichter können neben Wirkleistung auch Blindleistung bereitstellen. Die mögliche Kombination beider Größen wird durch die zulässige Scheinleistung begrenzt.

Wie funktioniert ein Wechselrichter?

Ein Wechselrichter erzeugt aus einer Gleichspannung mithilfe leistungselektronischer Schaltelemente eine Wechselspannung. Regelungs- und Filterstufen sorgen dafür, dass die Ausgangsgrößen den technischen Anforderungen des angeschlossenen Stromnetzes oder Inselnetzes entsprechen. Bei netzgekoppelten Anlagen synchronisiert sich der Wechselrichter mit der vorhandenen Netzspannung und speist den erzeugten Wechselstrom mit passender Frequenz und Phasenlage ein.

PV-Wechselrichter regeln zusätzlich den elektrischen Arbeitspunkt des PV-Generators. Das MPPT verändert diesen Arbeitspunkt so, dass die angeschlossenen PV-Module unter den aktuellen Einstrahlungs- und Temperaturbedingungen möglichst viel Leistung bereitstellen. Spannung und Strom ergeben sich dabei entsprechend der Strom-Spannungs-Kennlinie des PV-Generators. Gleichzeitig überwacht der Wechselrichter unter anderem zulässige Spannungs-, Strom-, Temperatur- und Isolationsgrenzen.

Bei einem BESS steuert der Wechselrichter den Energiefluss zwischen Batterie und AC-System. Beim Laden wandelt er Wechselstrom in Gleichstrom um, beim Entladen Gleichstrom in Wechselstrom. Bei größeren Batteriespeichersystemen wird für die bidirektionale Leistungselektronik häufig auch der Begriff Power Conversion System (PCS) verwendet. Ein PCS kann abhängig vom Systemaufbau jedoch weitere elektrische Komponenten und Funktionen umfassen.

Ladezustand, Batterietemperatur sowie Strom-, Spannungs- und Leistungsgrenzen werden üblicherweise durch die Abstimmung zwischen Wechselrichter, Batteriemanagementsystem und übergeordneter Steuerung berücksichtigt.

Netzgeführte Wechselrichter orientieren sich an einer bereits vorhandenen Spannung und Frequenz. Fällt dieses Netzsignal aus, stellen sie den Betrieb normalerweise ein. Für Insel- oder Ersatzstromsysteme ist deshalb mindestens eine netzbildende Komponente erforderlich. Diese baut das lokale AC-System auf und gibt Spannung und Frequenz vor, sodass geeignete Wechselrichter und Verbraucher innerhalb dieses Systems betrieben werden können.

Welche Wechselrichterarten gibt es?

Stringwechselrichter verbinden einen oder mehrere PV-Strings und werden häufig in dezentral aufgebauten PV-Anlagen eingesetzt. Mehrere unabhängige MPPT-Tracker können Modulgruppen mit unterschiedlichen Ausrichtungen oder Betriebsbedingungen getrennt regeln.

Zentralwechselrichter bündeln die Leistung vieler PV-Strings in einem gemeinsamen Gerät. Sie werden vor allem in größeren PV-Anlagen eingesetzt, bei denen hohe Leistungen zentral umgewandelt werden sollen.

Hybridwechselrichter können eine PV-Anlage und ein BESS innerhalb eines gemeinsamen Systems verbinden. Je nach Gerätearchitektur kann die Batterie auf der DC-Seite angebunden sein. Ein Hybridwechselrichter ist jedoch nicht automatisch für den Insel- oder Ersatzstrombetrieb geeignet. Die dafür erforderlichen netzbildenden Funktionen müssen ausdrücklich unterstützt werden.

Modulwechselrichter sind einzelnen PV-Modulen oder kleinen Modulgruppen zugeordnet. Sie ermöglichen eine dezentrale Leistungsumwandlung und eine individuelle Arbeitspunktregelung, erhöhen jedoch die Anzahl der elektronischen Komponenten innerhalb der PV-Anlage.

Typische Einsatzbereiche von Wechselrichtern

Wechselrichter übernehmen in unterschiedlichen Energiesystemen zentrale Aufgaben:

• In PV-Anlagen wandeln sie die erzeugte DC-Leistung in nutzbare oder einspeisefähige AC-Leistung um.
• In BESS steuern bidirektionale Wechselrichter das Laden und Entladen der Batterie.
• In Hybridanlagen koordinieren geeignete Geräte die Leistungsumwandlung zwischen PV, BESS, Verbrauchern und Stromnetz.
• In netzgekoppelten Anlagen können Wechselrichter Wirk- und Blindleistung entsprechend lokaler Vorgaben oder externer Sollwerte bereitstellen.

Wichtige Kennwerte und technische Grenzen

Zu den relevanten Monitoringwerten gehören je nach Gerät DC- und AC-Leistung, Spannung, Strom, Netzfrequenz, Energieertrag, Temperatur, Isolationswerte, Betriebsstatus sowie Warn- und Fehlermeldungen. Diese Daten können dabei helfen, Ertragsverluste, Abschaltungen, Übertemperaturen, Kommunikationsstörungen und andere Abweichungen zu erkennen.

Die Angabe in Kilowatt (kW) beschreibt die Wirkleistung eines Wechselrichters. Kilovoltampere (kVA) kennzeichnet dagegen seine Scheinleistungsgrenze. Wirkleistung und Blindleistung bestimmen gemeinsam die erforderliche Scheinleistung. Vereinfacht gilt:

S = √(P² + Q²)

Dabei steht S für die Scheinleistung, P für die Wirkleistung und Q für die Blindleistung. Muss ein Wechselrichter mehr Blindleistung bereitstellen, kann seine verfügbare Wirkleistung durch die Scheinleistungsgrenze eingeschränkt werden. Zusätzlich können Temperatur, DC-Spannung, Netzbedingungen und gerätespezifische Betriebsgrenzen die tatsächlich verfügbare Leistung reduzieren.

Für das Monitoring oder die externe Steuerung werden geeignete Kommunikationsschnittstellen, ein unterstütztes Geräteprotokoll und eine zuverlässige Datenverbindung benötigt. Die bereitgestellten Messwerte, Sollwerte und Fehlercodes unterscheiden sich zwischen Herstellern und Gerätetypen. Nicht jeder Wechselrichter stellt sämtliche Werte bereit oder erlaubt eine externe Sollwertvorgabe.

Überwachung und Steuerung mit EcoPhi

EcoPhi kann Wechselrichter verschiedener Hersteller über verfügbare Schnittstellen in ein gemeinsames Monitoring einbinden. Je nach Produkt, Geräteintegration und Projektumfang können Messwerte und Betriebszustände erfasst, visualisiert, historisch ausgewertet und für Alarmierungen oder Berichte verwendet werden.

Wenn der Wechselrichter eine kompatible und freigegebene Steuerungsschnittstelle bereitstellt, kann EcoPhi außerdem Wirk- und Blindleistungssollwerte übertragen und das Gerät in übergeordnete Betriebsstrategien für PV-, BESS- oder Hybridsysteme einbeziehen. Die konkrete Funktionalität hängt vom Wechselrichter, dem Kommunikationsprotokoll und den verfügbaren Steuerungsmöglichkeiten ab. EcoPhi ersetzt weder die internen Schutzfunktionen des Wechselrichters noch einen für das jeweilige Projekt erforderlichen zertifizierten EZA-Regler.

Wechselrichter zusammengefasst

Ein Wechselrichter verbindet gleichstrombasierte Energiequellen und Speicher mit einem AC-System. Seine Aufgaben reichen von der Leistungsumwandlung und dem MPPT bis zur Bereitstellung von Wirk- und Blindleistung. Monitoring und externe Steuerung setzen geeignete Geräteschnittstellen sowie eindeutig definierte Betriebsgrenzen voraus.

Häufige Fragen zu Wechselrichtern

Was ist der Unterschied zwischen einem PV- und einem BESS-Wechselrichter?

Ein PV-Wechselrichter wandelt den Gleichstrom der PV-Module hauptsächlich in Wechselstrom um. Ein BESS-Wechselrichter arbeitet üblicherweise bidirektional, damit die Batterie sowohl geladen als auch entladen werden kann.

Kann jeder Wechselrichter bei einem Stromausfall weiterarbeiten?

Nein. Für einen Betrieb ohne öffentliches Netz muss das lokale System eine geeignete netzbildende Komponente enthalten.

Was bedeuten kW und kVA bei einem Wechselrichter?

Kilowatt beschreibt die Wirkleistung, während Kilovoltampere die Scheinleistung angibt. Die Scheinleistungsgrenze bestimmt, welche Kombination aus Wirk- und Blindleistung der Wechselrichter bereitstellen kann.

Kann ein EMS jeden Wechselrichter steuern?

Nein. Eine aktive Steuerung setzt eine kompatible und freigegebene Schnittstelle sowie unterstützte Sollwertfunktionen voraus. Bei manchen Geräten ist ausschließlich das Auslesen von Mess- und Statuswerten möglich.