Schätzungen zufolge wird es im Jahr 2015 eine Kapazität von mehr als 35.000 MW installierter Solarleistung geben. Davon entfallen etwa 15.000 MW auf Eigenheimsysteme bis zu 10 kW und Kleingewerbeanlagen mit Kapazitäten von 10 bis 100 kW.
Ein verstärkter Zugriff auf dezentrale Systeme im Stromnetz mit Leistungen unter 3 kW bis hin zu Systemen mit 40 kW, sowie auf Zentralwechselrichter verlangt nach mehr Intelligenz und Leistung. So sollen die Sicherheit von Menschen, die Zuverlässigkeit der Anlage und Geräte sowie die Qualität der Leistung beibehalten werden. Speziell das Design der Anschaltung des Wechselrichternetzes ist von entscheidender Bedeutung. Zudem sind mehr und mehr netzgekoppelte Photovoltaik-Systeme mit einem Akkuantrieb ausgestattet, je stärker der Eigenverbrauch vor Ort an Bedeutung gewinnt.
Der Wechselrichter einer typischen Solaranlage für private oder gewerbliche Verbraucher muss sich deshalb von einem einfachen Umwandlungsbaustein zu einem ausgeklügelten Energiemanagementsystem entwickeln, das den Energiefluss in Echtzeit regulieren kann. Zu seinen Aufgaben kann die Drosselung der PV-Anlage bei verminderter Nachfrage gehören sowie eine zweitweise Abschaltung vom Netz zum Schutz von Menschen und Geräten.
Netzschutzrelais
Die neue Generation von Wechselrichtern benötigt elektromagnetische Netzschutzrelais, die sich durch adäquate Warmstartleistung, einen niedrigen Stromverbrauch, eine hohe elektrische Isolierung im Ausbetrieb und eine langjährige Haltbarkeit auszeichnen.
Um die steigende Anzahl verteilter netzgebundener Kleinerzeuger zu bewältigen, haben die Netzbetreiber sogenannte Grid Codes entwickelt (Netzanschlussrichtlinien), die den Einsatz von Inverter-Steuerungssoftware vorsehen.
Für den Software-gesteuerten Netzanschluss oder die erneute Verbindung des Wechselrichters sind effiziente und langlebige elektromagnetische Relais unverzichtbar. Solche Netzschutzrelais kommen in stromführenden, neutralen oder in beiden Anschlüssen zum Einsatz. Standards wie IEC 62109-2 und VDE0126-1-1 schreiben zur Redundanz im Störungsfall zwei Schalter in Serie vor. So können bis zu vier Relais in einem einphasigen Wechselrichter erforderlich sein, sechs oder acht in einem dreiphasigen System. Für Anwendungen, in denen die kleinstmögliche Gesamtgröße eine entscheidende Kernforderung darstellt, eignen sich vierpolige oder zweipolige Relais, wie Omron sie bietet. In jedem Fall soll es sich um monostabile Relais mit Schließerkontakt (Normally Open, NO) handeln, die ein Abschalten bei Spannungsausfall gewährleisten (Fail-safe-Verhalten).
Stromverbrauch minimieren
Die Spule elektromechanischer Relais muss jedoch stets an die Stromversorgung angeschlossen sein, um die Kontakte unter normalen Betriebsbedingungen geschlossen zu halten. Dies erhöht den Stromverbrauch des Systems. Die kombinierte Wirkung des Leistungsverlusts von bis zu acht Relaisspulen in einem dreiphasigen System kann beträchtlich sein.
Um Strom zu sparen, kann das Steuersignal für die Relaisspule optimiert werden. Bei einem Relais mit einer Spulenspannung von 12 VDC kann beispielsweise ein hoher Anfangsimpuls von etwa 18 V bis 22 V helfen, der für eine kurze Zeit bis zu etwa 500 Millisekunden angelegt wird, um die Relaiskontakte zu schließen wenn der Wechselrichter an das Netz angeschlossen werden soll. Dieser Initialimpuls kann auf ein Niveau von etwa 4,5 V gesenkt werden um eine effektive Spulenhaltekraft aufrechtzuerhalten.
Temperatur und Lebensdauer
Im Pflichtenheft werden die Betriebs- und Abfallspannungswerte bei 20°C spezifiziert. Da diese Werte jedoch unter Warmstartbedingungen eventuell nicht eingehalten werden können, oder die Betriebstemperatur höher als 20°C ist, sollte das ordnungsgemäße Funktionieren unter den tatsächlichen Einsatzbedingungen bestätigt werden. Für minimale Leistungsverluste empfiehlt sich ein für den AC-Netzschutz ausgelegtes Relais. Omron bietet dafür eine Magnetisierungsschaltung in seinem Netzschutzrelais G7L.
Zu beachten ist auch die Brandsicherheit, da Komponenten in PV-Anlagen künftig obligatorischen Vorschriften zu feuerhemmendem Verhalten unterliegen könnten. Einige Hersteller von Wechselrichtersystemen setzten Lüfter ein, um deren Bestandteile bei unterschiedlichsten Betriebsumgebungsbedingungen auf einer konstanten Temperatur zu halten. Lüfter mit variabler Drehzahl helfen, die Auswirkungen auf den Stromverbrauch des Systems zu minimieren.
Entwickler sollten neben den Einsatzbedingungen auch auf die Haltbarkeit eines Relais achten. Die typische Lebensdauer eines netzgekoppelten transformatorlosen PV-Wechselrichters liegt bei sieben bis 15 Jahren. Darüber hinaus müssen die Relais aber auch etwa 500mal von Netz getrennt werden. Auch der Nettowert des täglich durch das Relais geleiteten Stroms ist dabei wichtig. In einem kleinen Eigenheimsystem aus gewöhnlich sieben oder acht PV-Modulen mit einer gesamten DC-Spannung von 350 V oder 400 V und DC-Strömen von 3 bis 4 A, kann der Wechselrichter einem AC-Strom von 3,5 A ausgesetzt sein. Das Relais muss diesen Vollast-Stromfluss nur während der Mittagsstunden unterbrechen. Eine Soft-Start/-Stop-Funktion, die die Last elektronisch unterbricht und das Relais zur Öffnung oder Schließung der Kontakte steuert, verlängert die elektrische Lebensdauer, da das Relais bis auf einige Milliampere fast lastlos schalten muss.
In größeren Generatoren hingegen, wo mehrere Strings in einen einzelnen Wechselrichter einspeisen, kann ein leistungsstärkeres Relais erforderlich sein. Verschieden kombinierte Strings in paralleler und serieller Schaltung verursachen hohe DC-Ströme, die zu invertieren sind. Relais, die in der AC-Netzschutz-Schnittstelle eingesetzt sind, müssen also entsprechend den Spitzenlasten und Schaltzyklen des Generators ausgelegt sein.
Anlagenbauer stehen bei Wechselrichtern und der dazugehörigen PV-Ansteuerung unter Miniaturisierungsdruck. Dennoch ist bei der Miniaturisierung des Netzschutzrelais Vorsicht geboten. Die Normen IEC 62109-2 und VDE0126-1-1 spezifizieren für die Isolierung einen Mindestkontaktluftabstand im geöffneten Zustand. Das gewährleistet die Bediensicherheit, verhindert Störfrequenzen und hält überhöhte Kurzschlussströme vom Netz fern und schützt den Wechselrichter vor schädlichen Bedingungen auf der Netzseite.
Auch wenn qualitativ hochwertige Relais einiges an Schutz vor unbekannten Folgen von Zersetzung und Korrosion bieten können, sollten Gerätedesigner und Anlagenkonstrukteure auch an die Alterungseffekte aufgrund lang anhaltender Hochtemperaturperioden auf andere Systemkomponenten bedenken.
