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AC/DC in der PV: Wechselrichter und Stromwandlung

Einleitung: Was hat AC/DC mit Solaranlagen zu tun?

Was hat die legendäre Rockband AC/DC mit Solaranlagen zu tun? Der Bandname sollte die brachiale Kraft und die energiegeladenen Auftritte symbolisieren – genauso wie der energiegeladene Alternating Current (Wechselstrom) und die rohe Kraft des Direct Current (Gleichstrom), die durch Solaranlagen fließen.

Um mit diesen „rohen" Strömen umgehen zu können, wird Leistungselektronik eingesetzt. In diesem Artikel erfahren Sie, wie Wechselrichter funktionieren und warum die Wahl zwischen ein- und dreiphasigen Systemen wichtig ist.

Gleichstrom trifft Wechselstrom

Das Problem bei Solaranlagen: Die Solarzellen erzeugen Gleichstrom (DC), aber die Anwendungen im Haushalt benötigen Wechselstrom (AC) bei 50 Hz. Zusätzlich verwenden Batteriespeicher wiederum Gleichstrom.

Was unterscheidet die beiden Stromarten?

Gleichstrom (DC):

• Strom fließt durchgehend in eine Richtung
• Wie ein Schiff, das nur flussaufwärts fährt
• Beispiele: Batterien, Solarzellen, USB-Geräte

Wechselstrom (AC):

• Stromrichtung wechselt ständig (50× pro Sekunde bei 50 Hz)
• Wie ein Schiff, das ständig flussauf- und abwärts fährt
• Standard im europäischen Stromnetz

Der Wechselrichter: Herzstück der Stromwandlung

Funktionsprinzip

Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom der Solarmodule in netzkonformen Wechselstrom um. Das geschieht durch elektronische Schalter (IGBTs oder MOSFETs), die den Gleichstrom schnell an- und ausschalten:

1. DC-Eingang: Gleichstrom aus den Modulen
2. Zerhacken: Leistungsschalter schalten den DC sehr schnell unterschiedlich lange an und aus
3. PWM-Modulation: Durch Pulsweitenmodulation entsteht aus den „Gleichstromstückchen" eine sinusförmige Kurve
4. AC-Ausgang: Netzkonformer Wechselstrom mit 50 Hz

Wichtige Wechselrichter-Funktionen

• Netz-Synchronisierung: Frequenz und Phase werden am Netz gematcht – bei Abweichung schaltet der Wechselrichter ab
• NA-Schutz (Inselnetz-Erkennung): Trennt die Anlage bei Netzausfall zum Schutz von Wartungspersonal
• Spannungs- und Frequenzfenster: Einspeisung nur innerhalb zulässiger Toleranzen
• Leistungsbegrenzung: Viele Netze verlangen Einspeisebegrenzungen (z.B. 70%-Regel), die softwareseitig umgesetzt werden

MPPT: Das Regelungszentrum

Der Maximum-Power-Point-Tracker (MPPT) ist oft bereits im Wechselrichter integriert. Seine Aufgabe: Unabhängig von Last- oder Wettersituation stets die maximal mögliche Leistung aus der Solaranlage gewinnen.

Wie funktioniert der MPPT?

Elektrische Leistung ist das Produkt aus Spannung und Strom: P = U × I

Jedes Solarmodul hat eine individuelle Kennlinie, die von erzeugtem Strom und Spannung abhängt. Diese Kennlinie ändert sich durch:

• Verschattung
• Temperaturänderungen
• Wechselnde Einstrahlung

Der MPPT tastet die Leistungskennlinie kontinuierlich ab. Der verbreitete Algorithmus „Perturb and Observe" (Stören und Beobachten) funktioniert so:

1. Die Spannung wird leicht erhöht oder gesenkt (Störung)
2. Die resultierende Leistungsänderung wird gemessen (Beobachtung)
3. War die Leistung höher? → Weiter in diese Richtung
4. War sie niedriger? → Richtung wechseln

So findet der MPPT stets den aktuellen Punkt maximaler Leistung.

Drehstrom verstehen

Europäische Netze nutzen nicht einfachen Wechselstrom, sondern Drehstrom (dreiphasigen Wechselstrom). Dabei handelt es sich um drei Wechselströme, die gleichmäßig um 120° zeitlich versetzt schwingen.

Warum Drehstrom?

Der Wirkungsgrad bei der Stromübertragung ist deutlich besser:

• Einphasiger Wechselstrom benötigt 2 Kabel
• Drehstrom benötigt nur 3 Kabel für die dreifache Leistung

Der Trick: Zu jedem Zeitpunkt gleichen sich die drei Phasen aus. Wenn die maximale Stromstärke in einem Kabel fließt, fließen zwei halb so starke Ströme in den anderen beiden Kabeln in entgegengesetzter Richtung. Dadurch wird kein separates Rückführungskabel benötigt.

Spannungsebenen in Deutschland

Einphasiger oder dreiphasiger Wechselrichter?

Die Wahl zwischen ein- und dreiphasigen Wechselrichtern hat weitreichende Auswirkungen auf Ihre Anlage.

Einphasiger Wechselrichter

Bei einem einphasigen Wechselrichter wird der Gleichstrom in eine einzelne Wechselstromphase umgewandelt. Typisch für kleine bis mittelgroße Anlagen.

Vorteile:

• Einfacher Aufbau: Nur zwei Kabel für Ein- und Ausgang nötig
• Kostengünstiger: Geringere Anschaffungskosten durch simplere Technik
• Kompatibilität: Viele Haushaltsgeräte nutzen nur eine Phase

Nachteile:

• Begrenzte Leistung: In der Regel für Anlagen bis 3–6 kWp geeignet
• Unsymmetrische Belastung: Bei hohen Strömen können Probleme auftreten
• Nicht für Großverbraucher: E-Auto-Wallbox oder Wärmepumpe benötigen oft Drehstrom

Dreiphasiger Wechselrichter

Ein dreiphasiger Wechselrichter wandelt Gleichstrom in drei symmetrische Wechselstromphasen um. Standard für größere Anlagen.

Vorteile:

• Höhere Leistungsabgabe: Für Anlagen ab 6 kWp aufwärts
• Bessere Lastverteilung: Höhere Ströme werden auf drei Phasen verteilt
• Symmetrische Einspeisung: Netzfreundlicher, keine Schieflast
• Kompatibel mit Großverbrauchern: Wärmepumpen, Wallboxen, Herdplatten

Nachteile:

• Höhere Kosten: Komplexerer Aufbau, teurere Komponenten
• Aufwändigere Installation: Zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen und Verkabelung

Empfehlung

Gleichrichter und DC-Pfade

Wenn Speicher oder DC-Kopplung genutzt werden, wandeln Gleichrichter den Wechselstrom wieder in Gleichstrom um. Das ist nötig, wenn:

• Eine AC-gekoppelte Batterie aus dem Netz geladen wird
• Überschüssiger Netzstrom zwischengespeichert werden soll

Auch hier gelten hohe Wirkungsgrade von etwa 96–98%. Verluste entstehen hauptsächlich durch:

• Schaltverluste in den Leistungshalbleitern
• Filterung der Oberschwingungen

Moderne Topologien reduzieren diese Verluste mit hoher Schaltfrequenz und optimierten Filtern.

Das S in Software steht für Solar

Neben der Hardware ist Software essentiell für die Steuerung der Solaranlage. Die Software fungiert als Schnittstelle zwischen Solarmodulen, Batterie, Stromzählern und dem Nutzer.

Aufgaben der Anlagensoftware

• Regelung und Steuerung: Enge Zusammenarbeit mit dem MPPT
• Messdatenerfassung: Digitale Erfassung und Verwaltung aller Messwerte
• Datenweiterleitung: Kommunikation zwischen den Komponenten
• Überwachung: Erkennung von Fehlern und Leistungseinbrüchen
• Kostenberechnung: Ertragsprognosen und Amortisation
• Smart-Home-Integration: Verbindung mit Hausautomation

Fazit

Im Anschluss: Batteriespeicher: Der Helfer bei schlechtem Wetter

Quellen

• Verivox: AC- und DC-Strom Unterschiede
• Elektronik-Kompendium: Warum 220 Volt?
• Optivolt: Ein- vs. dreiphasige Wechselrichter
• Peter Hofmann: Hybridfahrzeuge (Springer Vienna, 2010)
• Martin Doppelbauer: Grundlagen der Elektromobilität (Springer, 2020)