Vergleich von Wechselrichtern mit Multi-MPPT und Single-MPPT für verschiedene Solaranlagenkonfigurationen und Standorte

Studie des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme ISE im Auftrag der KACO new energy GmbH


9. November 2021

In der Studie wird untersucht, ob und wann sich der Einsatz eines Wechselrichters mit mehreren unabhängigen DC-Eingängen lohnt. Der Schwerpunkt der Studie liegt dabei auf auftretenden Mismatchverlusten zwischen Modulsträngen. Es werden jedoch auch andere Effekte wie z.B. Eingangsspannungsfenster der Wechselrichter, Wirkungsgrade und der Einfluss auf das Anlagendesign betrachtet.

Grundlage für die Untersuchungen bilden Ertragssimulationen mit der Software PVSyst. Zur Durchführung der Studie wurden auf Basis von realen Wechselrichterparametern mit einem MPP-Tracker (MPPT) synthetische Modelle mit mehreren MPPT erzeugt: 

Die synthetisch generierten Multi-MPPT-Geräte besitzen die gleichen Wirkungsgrade und übrigen Leistungsparameter wie die Single-MPPT-Wechselrichter, da es in der Untersuchung einzig darum geht, die Auswirkungen mehrerer MPPT gegenüber Single-MPPT festzustellen. Bei Ihren eigenen Auslegungen mit anderen Wechselrichtern beachten Sie bitte deren unterschiedliche Wirkungsgrade und gegebenenfalls die unterschiedlichen Eingangsspannungsfenster.

Die simulierten Ertragsgewinne durch den Einsatz von Multi-MPPT-Wechselrichtern sind daher als theoretisch maximal möglicher Mehrertrag zu verstehen. Im Allgemeinen ist davon auszugehen, dass durch die zusätzliche Wandlungsstufe bei zweistufigen Wechselrichtern (Multi-MPPT) im Vergleich zu einem einstufigen (Single-MPPT) geringere Wirkungsgrade erreicht werden. Hierdurch würde sich der Ertragsgewinn voraussichtlich reduzieren. 

Die angenommenen Anwendungen sind eine Dachanlage mit 60-kVA-Wechselrichtern und eine Freiflächenanlage auf Basis von 165-kVA-Wechselrichtern. Es wurden jeweils zwei Standorte gewählt: Arkona im Nordosten Deutschlands mit gemäßigtem Klima und Abu Dhabi mit heißen Klimabedingungen.

Der Vergleich beruht auf kristallinen Si-Modulen mit einer Leistung von 410 Wp und mit südlicher Ausrichtung. Bei der Dachanlage werden 1000-V-Systeme betrachtet, bei der Freiflächenanlage 1500-V-Systeme. 

Unsymmetrisches String-Design 

Um den möglichen Mehrertrag bei einem durch unsymmetrisches Stringdesign des Generators hervorgerufenen Mismatch zu beurteilen, wurden für die 60-kVA-Anlage Ertragssimulationen mit verschiedenen Konfigurationen durchgeführt.

Bei der Generatorkonfiguration wurden dafür die 8 parallel verschalteten Strings in der Länge variiert und verschiedene Kombinationen von Strings mit 18 und 19 Modulen in Serie betrachtet. Die größten Mismatchverluste entstehen bei einer 50/50 Konfiguration des PV-Generators. Sie betragen hierbei nur 1,05 % pro Jahr. 

Bei anderen Verhältnissen nehmen die Verluste in beide Richtungen ab. Die Ergebnisse zeigen, dass auch bei diesem extremen Fall die Ertragsverluste noch als relativ gering einzustufen sind. 

Verschattung 

In der Studie wurden verschiedene repräsentative Verschattungsszenarien untersucht. Durch einen sich zentral in 10 m Abstand vor dem Generator befindlichen Baum lag der Ertragsunterschied zugunsten von Multi-MPPT ebenfalls nur bei 1 % pro Jahr.

Außerdem wurde bei den Freiflächenanlagen der Effekt durch Modulverschattung durch umgebende Modultische für fixe Aufständerung und durch ein Trackersystem untersucht. Dieser ist abhängig vom gewählten Abstand der Modulreihen/Trackerreihen. Für alle untersuchten Fälle liegt der zu erwartende Ertragsgewinn bei unter 0,3 % pro Jahr. 

Ursächlich für diesen geringen Mismatch sind die Modulkennlinien. Eine Veränderung in der Einstrahlung hat über einen sehr großen Bereich nur einen sehr geringen Einfluss auf die MPP-Spannung. 

Wirkungsgrad 

Kritisch bewerten die Autoren die Qualität und Genauigkeit der in PVSyst enthaltenen Datenbanken für Komponenten. Hier gibt es keine ausreichende Qualitätssicherung, sodass ein Vergleich von Komponenten mit sehr ähnlichen Verläufen nicht sehr belastbar ist. Gerade bei Wechselrichtern wurden hier große Abweichungen von gemessenen Werten für den Wirkungsgrad und die Modellparameter stichprobenartig festgestellt. 

 

Eingangsspannungsbereich 

Simulativ wurde untersucht, inwiefern sich ein größerer Eingangsspannungsbereich bei Multi-MPPT-Wechselrichtern positiv auf den Jahresertrag einer Anlage auswirkt.

Hierfür wurden für den Standort Freiburg mit Wetterdatenauflösungen von 1 Min / 15 Min / 60 Min Ertragssimulationen durchgeführt und berechnet, wie groß die Ertragsverluste durch die Unterschreitung der unteren Spannungsgrenze (bedingt durch den Single-MPPT Wechselrichter) sind. Bei einer entsprechend angepassten Generatorauslegung sind diese komplett zu vernachlässigen.

Zusammenfassung 

Zusammengefasst kann gesagt werden, dass Multi-MPPT aus Ertragssicht Sinn machen kann, wenn die Anlagenkonfiguration sehr heterogen verschaltet ist bzw. Verschattungen die Stringkonfiguration beeinflussen. Voraussetzung dafür ist jedoch ein sehr hoher Wirkungsgrad in den DC-DC-Stufen des Wechselrichters, sodass der Mehrertrag (in den skizzierten sehr heterogenen Fällen ~1 %) nicht durch den potenziell schlechteren Wirkungsgrad eines zweistufigen Systems zu stark reduziert wird.

Für homogene Anlagen ist nicht mit einem signifikanten Mehrertrag durch Multi-MPPT zu rechnen. Bei einer gleichmäßigen Auslegung der Stringlänge ist auch durch das vergrößerte Eingangsspannungsfenster keine Ertragssteigerung zu erwarten.

Die durchgeführten Berechnungen beziehen sich vollumfänglich auf die Verwendung von kristallinen Si-Modulen. Auch bei der Betrachtung von Alterungseffekten führt dieser Effekt nicht zu Ertragseinbußen auf Grund von Mismatch oder Unterschreitung der minimalen Wechselrichtereingangsspannung.


Webinar-Hinweis

Am 30. November 2021 haben wir im pv magazine Webinar zusammen mit dem Fraunhofer ISE die Ergebnisse der Studie live vorgestellt. Sie können sich die Aufzeichnung des Webinars auch im Nachhinein noch anschauen:

Zur Aufzeichnung
 

Produktinformationen

KACO new energy hat das umfangreichste Programm an Single-MPPT-Wechselrichtern in der Branche. Erfahren Sie unter dem folgenden Link mehr über alle Wechselrichter für private und gewerbliche PV sowie große Solarkraftwerke:

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Teilen Sie uns hier bitte Ihr Interesse an der vollständigen, englischsprachigen Studie mit. Wir senden Ihnen das PDF umgehend zu.

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