Testprozeduren für Multi-MPPT Solarwechselrichter Urs Muntwyler, Daniel Gfeller, Luciano Borgna

Berner Fachhochschule, Technik und Informatik (BFH-TI), Labor für Photovoltaik Jlcoweg 1, CH-3400 Burgdorf, Schweiz

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1. Einführung Obschon der Solarwechselrichter eine der Kernkomponenten einer Solaranlage ist, wurde das umfassende Testen und Charakterisieren von solchen Geräten lange vernachlässigt. Das einzige Qualitätsmerkmal des Wechselrichters, dem in Vergangenheit Beachtung geschenkt wurde, war der Umwandlungs-Wirkungsgrad. Andere Eigenschaften – namentlich das MPP-Trackingverhalten –wurden lange vernachlässigt oder als ideal angenommen. Diese Einschätzung war in vielen Fällen zu optimistisch. Aufgrund dessen wurden viele Schwachstellen von solchen Geräten nicht entdeckt, was zu beachtlichen Mindererträgen geführt hat. Das war zu einer Zeit, als der Preis für photovoltaisch erzeugten Strom ein Mehrfaches vom heutigen Preis betrug. Erst im Jahr 2010 wurde die Europäische Norm EN 50530 verabschiedet [1]. Diese Norm definiert Testprozeduren für den totalen Wirkungsgrad von Netzverbund-Solarwechselrichtern und beinhaltet die Messung des Umwandlungs- wie auch des MPP-Tracking-Wirkungsgrads sowohl bei statischen wie auch bei dynamischen Testprofilen. Als die EN 50530 erschienen ist, waren Solarwechselrichter mit mehr als einem MPP-Tracker, sogenannte Multi-MPPT-Solarwechselrichter, noch eine Ausnahmeerscheinung. Folglich wird diesen Wechselrichtern in der EN 50530 keine Beachtung geschenkt. Heutzutage allerdings verfügen die meisten modernen Solarwechselrichter über mindestens zwei MPP-Tracker. Natürlich ist es möglich, die existierenden Testprofile aus der EN 50530 zu übernehmen und an jedem MPP-Tracker eines Prüflings simultan anzuwenden (dieses Vorgehen ist heute Standard). Dies erlaubt jedoch keine vollständige Charakterisierung eines Multi-MPPT-Solarwechselrichters. Der Hauptgrund für die Multi-MPPT-Technologie ist das erlangen eines hohen Energieertrags unter inhomogenen Bedingungen (wie z. B. bei unterschiedlichen Modulausrichtungen, ungleicher Anzahl Module pro Strang oder Teilbeschattungen). Genau diese Eigenschaft kann mit den existierenden normativen Testprozeduren nicht untersucht werden.

2. Existierende Testprozeduren Die EN 50530 definiert Testprofile sowohl für statische als auch für dynamische Messungen. Das Ziel der statischen Messungen ist die Bestimmung des

Umwandlungs- und MPP-Trackingwirkungsgrads im stationären Betrieb. Um dies zu erreichen, wird der Wechselrichter auf unterschiedlichen Spannungs- und Leistungsstufen betrieben und gemessen. Die Quintessenz davon ist der Europäische Wirkungsgrad (ηEU), welcher als gewichteter Mittelwert der einzelnen Stufenmessungen berechnet wird und einen guten Indikator für den durchschnittlichen Wirkungsgrad beim Betrieb des Geräts im mitteleuropäischen Klima darstellt. Auf dieselbe Art und Weise, jedoch mit anderen Gewichtungsfaktoren, wird der CEC Wirkungsgrad (ηCEC, California energy commission) bestimmt, welcher in den USA verwendet wird. Die Messungen werden auf drei unterschiedlichen Spannungsstufen durchgeführt (namentlich bei der minimalen, der maximalen und der Nenn-MPP-Spannung des Prüflings). Der Umwandlungs-Wirkungsgrad eines Solarwechselrichters hat typischerweise eine hohe Spannungsabhängigkeit. Unglücklicherweise spezifizieren viele Hersteller den Europäischen Wirkungsgrad nur bei der optimalen Betriebsspannung – und oftmals runden sie diesen Wert grosszügig auf (um die +0.2% sind meist Standard). Das Ziel der dynamischen Messungen ist es aufzuzeigen, wie gut sich der MPP-Tracking Algorithmus auf einen nicht-statischen MPP einstellen kann. Dafür wird der Wechselrichter mit Testprofilen mit sich zeitlich ändernder simulierter Einstrahlung betrieben (die Zellentemperatur wird als konstant angenommen). Die simulierte Einstrahlung beschreibt lineare Rampen zwischen unterschiedlichen Einstrahlungsstufen und mit unterschiedlichen Rampensteilheiten. Dadurch sollen sowohl langsame als auch schnelle Einstrahlungsänderungen simuliert werden. Messungen am Wechselrichter-Prüfstand der BFH haben gezeigt, dass selbst moderne Solarwechselrichter gelegentlich Probleme haben, dem MPP bei einzelnen Rampensteilheiten zu folgen, was den MPP-Trackingwirkungsgrad reduziert.

3. Mögliche Probleme bei bestehenden Testprozeduren

und vorgeschlagene Lösung Wenn die MPP-Leistung eines Solargenerators höher ist als die maximale MPP-Leistung des verwendeten Wechselrichters, reduziert letzterer üblicherweise seine Eingangsleistung, indem er seinen Arbeitspunkt aus dem MPP in Richtung Leerlauf verschiebt. In diesem Betriebsmodus hat das Gerät einen sehr schlechten MPP-Trackingwirkungsgrad. Für die Bestimmung des Europäischen oder CEC Wirkungsgrads wird eine Messung bei der Nennleistung des Geräts benötigt. Wenn die MPP Leistung des simulierten Solargenerators aus irgendeinem Grund etwas höher ist als die Maximalleistung des Prüflings, wird dieser seine Eingangsleistung reduzieren. Das kann sehr oft der Fall sein, beispielsweise wenn der verwendete Solargenerator-Simulator nicht mit der benötigten Genauigkeit programmiert werden kann. Wenn der Hersteller des Wechselrichters nur die AC-Leistung spezifiziert (das ist oft der Fall), dann muss die maximale DC-Leistung anhand des spezifizierten Wirkungsgrads abgeschätzt werden. In solchen Fällen ist es gut möglich, dass die

MPP-Leistung des simulierten Solargenerators 1-2% zu hoch ist. Dies führt zu einem tiefen MPP-Tracking Wirkungsgrad und zu einem unfairen Testresultat. Dieser systematische Fehler könnte leicht umgangen werden, indem die höchste Leistungsstufe bei den Messungen nicht bei 100%, sondern 95% der Maximalleistung des Prüflings gewählt wird. Dies hätte nur einen minimalen Effekt auf den Europäischen oder CEC Wirkungsgrad. An ähnliches Problem kann durch die verwendete MPP-Spannung bei den Messungen entstehen. Einige Messungen werden bei der minimalen oder der maximalen MPP-Spannung durchgeführt. Abgesehen davon, dass es wenig sinnvoll ist, ein Gerät an seinen Grenzen zu spezifizieren, kann der Prüfling aus beschriebenen Gründen auch hier in eine Begrenzung laufen, was das Testresultat verfälscht. Daher wäre es sinnvoller, den Wechselrichter bei mindestens 105% der minimalen und höchstens 95% der maximalen MPP-Spannung zu messen. Zudem kann es vorkommen, dass die Obergrenze der zugelassenen MPP-Spannung des Wechselrichters zu nahe an der maximalen Eingangsspannung liegt. Die in der EN 50530 verwendeten Testkennlinien haben ein Verhältnis von 1.25 zwischen der Leerlaufspannung und der MPP-Spannung. Wenn die maximale Eingangsspannung des Wechselrichters nicht mindestens 25% höher ist als seine maximale MPP-Spannung, dann wird letztere im Leerlauf überschritten, was zu einer Beschädigung des Gerätes führen kann. Die Autoren sind der Meinung, dass die höchste MPP Spannung bei den statischen nicht höher als 75% der maximalen Eingangsspannung des Prüflings sein sollte. Offen gesagt sollte die nominale MPP Spannung eines vernünftig dimensionierten Solargenerators nie höher sein als 75% der Maximalspannung des Wechselrichters, den letztere sollte die Leerlaufspannung des Solargenerators auch bei tiefen Temperaturen schadlos überstehen. Unglücklicherweise spezifizieren viele Hersteller die Obergrenze der zugelassenen MPP Spannung viel näher an der Leerlaufspannung. Bei einigen Geräten sind diese Spannungen sogar identisch (was ziemlicher Unfug ist). Solche Angaben können übereifrige Anlagenplaner dazu verleiten, die Spannung zu hoch für den verwendeten Wechselrichter auszulegen [2].

4. Vorgeschlagene, neue Testprozedur für Multi-MPPT

Solarwechselrichter Um die Eigenschaften des Wechselrichters unter inhomogenen Bedingungen aufzuzeigen, wird an dieser Stelle ein neues Testprofil vorgeschlagen. Bei diesem folgt die simulierte Einstrahlung linearen Rampen von 150s Dauer zwischen 100 und 800 W/(m2·s). Die Rampen an den einzelnen MPP-Trackern sind gegeneinander zeitlich versetzt. Für die simulierten Solargeneratoren an den einzelnen MPP-Trackern wird das Kennlinienmodell aus der EN 50530 mit 72% Füllfaktor verwendet. Die simulierten Kennlinien werden so skaliert, dass ihr MPP bei STC der Nennspannung und –Leistung des Wechselrichters entspricht. Die Zellentemperatur wird als konstant angenommen. Die Abbildungen 4, 5 und 6 zeigen diese Testprofile.

Abbildung 1: Testprofil mit zwei MPP-Trackern

Abbildung 2: Testprofil mit drei MPP-Trackern

Abbildung 3: Testprofil mit vier MPP-Trackern

Falls der Wechselrichter mehr als vier MPP-Tracker hat, dann wird das Testprofil aus Abbildung 3 verwendet. Der fünfte MPP-Tracker wird gleich behandelt wie der erste, der sechste MPP-Tracker wird gleich behandelt wie der zweite, u. s. w. Daher kann dieser Test mit einer beliebigen Anzahl an MPP-Trackern durchgeführt werden. Tatsächlich gibt es nach Wissensstand der Autoren derzeit keine Wechselrichter mit mehr als vier MPP-Trackern auf dem Markt. Es ist aber denkbar, dass es in Zukunft Multi-MPPT Zentralwechselrichter mit deutlich mehr MPP-Trackern geben wird. Mit den hier vorgeschlagenen Testprofilen wären die Tests für solche Entwicklungen gerüstet (allerdings würden solche Tests die Prüflabore vor einen enormen Materialaufwand stellen, den pro MPP-Tracker wäre ein Solargenerator-Simulator und eine Leistungsmessung notwendig). Da die Grösse der simulierten Solargeneratoren in Relation zur Leistung des MPP-Trackers definiert ist, wären Geräte mit MPP-Trackern von unterschiedlicher Leistung ebenfalls kein Problem. Die hier vorgeschlagenen Tests sind einfach und kurz, erlauben aber dennoch eine gute Charakterisierung der Prüflinge unter Bedingungen, bei denen ein MPP-Tracker mit einer viel geringeren Leistung läuft als die übrigen.

5. Messresultate von Multi-MPPT Solarwechselrichtern Die Abbildungen 4 und 5 zeigen die Resultate von den statischen Wirkungsgradmessungen von zwei Multi-MPPT-Solarwechselrichtern.

Abbildung 4: Statische Wirkungsgradmessung von Wechselrichter A

Abbildung 5: Statische Wirkungsgradmessung von Wechselrichter B

Wechselrichter A (Abbildung 4) ist ein europäisches Produkt mit einer AC-Nennleistung von 15 kW und drei MPP-Trackern. Der Hersteller spezifiziert einen Europäischen Wirkungsgrad von 97.5%. Daraus kann eine maximale DC-Leistung von 15 kW / 0.975 = 15.385 kW geschätzt werden. Das entspricht 100% auf der horizontalen Achse. Wie zu erkennen ist, beträgt der MPP-Tracking Wirkungsgrad nahezu 100%. Daher ist der Totale Wirkungsgrad [3] praktisch identisch mit dem Umwandlungs-Wirkungsgrad. Allerdings tritt das unter Abschnitt 3 bereits erwähnte Problem mit der Leistungsreduktion hier bereits auf. Die DC-Leistung von 15.385 kW ist etwas zu hoch für dieses Gerät. Deshalb verschiebt der Wechselrichter seinen Arbeitspunkt aus dem MPP. Dadurch wird die AC-Leistung auf 14.817 kW limitiert, was sogar 1.22% unter der Nennleistung des Gerätes ist. Daher fällt die MPP-Leistung im Bereich zwischen 95% und 100% der DC-Leistung um 0.3% ab, was den Europäischen Wirkungsgrad um 0.07% reduziert. Dies könnte einfach umgangen werden, indem für die Berechnung des Europäischen Wirkungsgrads der Messpunkt bei 95% anstelle von 100% der DC-Leistung verwendet wird (wie in Abschnitt 3 vorgeschlagen). Der Umwandlungs-Wirkungsgrad würde dadurch nur minimal verändert werden. Wechselrichter B (Abbildung 5) ist ein chinesisches Produkt mit einer AC-Nennleistung von 23 kW. Der Hersteller spezifiziert zudem eine maximal nutzbare DC-Leistung von 23.6kW, was 100% auf der horizontalen Achse entspricht. Hier ist das Problem mit der Leistungsreduktion noch ausgeprägter. Der Arbeitspunkt des Geräts liegt bei einer MPP-Leistung von 23.6 kW um 290W tiefer. Dadurch wird der

Europäische Wirkungsgrad des Geräts um 0.2% reduziert. Dieser beträgt so aber immer noch 97.97%, was ein sehr guter Wert ist. Bemerkenswert ist der Anstieg des Umwandlungs-Wirkungsgrads zwischen 95% und 100% der DC-Leistung. Der Wechselrichter reduziert die Eingangsleistung, indem er die Spannung an allen drei MPP-Trackern um etwa 35V erhöht. In diesem Punkt ist der Umwandlungswirkungsgrad ungefähr 0.18% höher verglichen mit dem vorherigen Messpunkt. Dies ist aber nicht genug, um den Leistungsverlust aufgrund der MPP-Tracking Verluste zu kompensieren.

Abbildung 6: Neu vorgeschlagener Test, ausgeführt an Wechselrichter B

Abbildung 6 zeigt das Resultat des neuen, unter Abschnitt 4 vorgeschlagenen Rampentests, durchgeführt an Wechselrichter B. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Umwandlungs-Wirkungsgrad (violette Kurve) um etwa 0.4% sinkt, sobald die Eingangsbedingungen nicht mehr homogen sind. Eine genauere Untersuchung dieses Problems zeigt, dass die drei Eingangsspannungen unter homogenen Bedingungen den exakt selben Wert haben (bis auf das Messrauschen). Dies wird in Abbildung 7 gezeigt, welche die Situation zu Beginn der ersten Rampe vergrössert darstellt. Wir nehmen an, dass der Prüfling in diesem Fall die Eingangsstufen (vermutlich Boost-Konverter) ausschaltet und alle drei Eingänge direkt mit dem gemeinsamen Zwischenkreis verbunden sind. Dadurch werden die Verluste der Eingangsstufen vermieden. Diese Messung zeigt den Vorteil der vorgeschlagenen Testprozedur. Mit den existierenden Testprofilen aus der EN 50530 wäre der zusätzliche Leistungsverlust bei inhomogenen Bedingungen nicht aufzufinden

gewesen. Ob beabsichtigt oder nicht, profitiert der Hersteller von Wechselrichter B von den aktuellen normativen Prüfprozeduren. Da ein Multi-MPPT-Solarwechselrichter aber gerade unter inhomogenen Bedingungen ein gutes Verhalten zeigen soll, sind die gängigen Prüfprozeduren nicht repräsentativ für das Verhalten in einer realen Photovoltaikanlage.

Abbildung 7: Detailansicht der Leistungsreduktion bei Rampenbeginn

6. Schlussfolgerungen Die Testprozeduren aus der EN 50530 erlauben eine ziemlich gute Charakterisierung eines Solarwechselrichters mit nur einem MPP-Tracker. Allerdings würde es Sinn machen, die Prozeduren zu modifizieren, so dass keine Messungen direkt an den Spezifikationsgrenzen des Prüflings durchgeführt werden. Die Anpassungen, welche in diesem Beitrag vorgeschlagen werden, hätten nur einen minimalen Effekt auf die Messresultate unter normalen Bedingungen, würden aber vermeiden dass der Prüfling in einem nicht-repräsentativen Betriebszustand arbeiten würde (z. B. in Leistungsbegrenzung). In den Prüfprozeduren fehlt ein Test, welcher die spezifischen Eigenschaften eines Multi-MPPT Solarwechselrichters zum Vorschein bringt. Das gleichzeitige anwenden der Testprofile aus der EN 50530 an allen MPP-Trackern eines Prüflings erlaubt keine gute Charakterisierung, denn solche Geräte sind dafür ausgelegt, unter inhomogenen Eingangsbedingungen gut zu arbeiten. In diesem Beitrag wird eine einfache aber effektive Testmethode für Multi-MPPT Solarwechselrichter vorgestellt. Messungen von zwei solchen Geräten zeigen, das bei strikter Einhaltung der Stufentests nach EN 50530 der Prüfling beim jeweils

letzten Messpunkt (bei maximaler Leistung) seinen Arbeitspunkt zwecks Leistungsbegrenzung verschiebt. Dies führt zu einem schlechten, nicht repräsentativen MPP-Tracking Wirkungsgrad. Die Messung mit dem vorgeschlagenen neuen Testprofil für Multi-MPPT Wechselrichter zeigt, dass der Umwandlungs-Wirkungsgrad bei inhomogenen Eingangsbedingungen deutlich tiefer ist als bei konventionellen Tests. Daher wäre es sinnvoll, einen solchen Test in zukünftigen Normen aufzunehmen.

Danksagungen Wir bedanken uns bei unseren Partnern, welche uns finanziellen Support geben. Es sind dies die Swiss Competence Centres for Energy Research (SCCER), die Kommission für Technologie und Innovation (KTI), das Bundesamt für Energie (BFE) sowie die Gebäudeversicherung Bern (GVB).

Literaturverweise [1] R. Bruendlinger, N. Henze, H. Häberlin, B. Burger, A. Bergmann, F.

Baumgartner, „prEN 50530 – The new European Standard for Performance Characterisation of PV Inverters“, 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Hamburg, Germany, 2009.

[2] H. Häberlin, „Optimum DC Operating Voltage for Grid-Connected PV-Plants“, 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Barcelona, Spain, 2005.

[3] H. Häberlin, L. Borgna, M. Kämpfer, U. Zwahlen, „Total Efficiency η-tot – A new Quantity for better Characterisation of Grid Connected PV-Inverters“, 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Barcelona, Spain, 2005.

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