Zum Auffinden des MPP (Punktes maximaler Leistung oder maximum power point) auf der Kennlinie eines Solargenerators gibt es die unterschiedlichsten Regelkonzepte und jeder Wechselrichterhersteller verfolgt dabei mehr oder weniger eigene Strategien. Im nachfolgenden Artikel sollen mal die Grundzüge des MPP Tracking vorgestellt werden, so wie ich sie kenne und von denen ich weiß, dass sie in einigen Wechselrichtern realisiert wurden.
Die MPP Reglung ist in Wirklichkeit das intelligente Zusammenspiel von drei verschiedenen Reglern, die nachfolgend einmal möglichst allgemeinverständlich beschrieben werden sollen.
Es gibt einen Stromregler für den Wechselstrom auf der Netzseite des Wechselrichters. Dieser ist der schnellste der drei Regler. Das Stellglied dieses Reglers ist ein sogenannter PWM Baustein. PWM steht für Pulsweitenmodulation. Dieser PWM Baustein schaltet über eine kleine Elektronik die Leistungshalbleiter (elektronische Schalter) des Wechselrichters ein und aus. Bei modernen volldigitalen Wechselrichtern wird die PWM Funktion auch schon direkt von einem Mikrocontroller übernommen. Wenn der Sollwert nach oben geht, wird der Einschaltimpuls im Verhältnis zum Ausschaltimpuls verlängert (im Klartext: der Schalter wird länger eingeschaltet und kürzer ausgeschaltet) im umgekehrten Fall wird der Einschaltimpuls verkürzt. Das Verhältnis von Einschaltimpuls zu Ausschaltimpuls bestimmt das Verhältnis der Ausgangsspannung (Netzseite) zur Eingangsspannung (Solarseite). Welchen Transistoren in einem Wechselrichter die Impulse direkt zugeordnet sind soll nicht Gegenstand dieses Artikels sein, da es zum prinzipiellen Verständnis der beschriebenen MPP Regelung nicht zwingend notwendig ist. Damit aus dem Ausgangsstrom ein sinusförmiger Strom wird, bedarf es eines sinusförmigen Sollwertes. Dieser wird entweder direkt aus der Netzspannung gewonnen – dadurch ist automatisch die korrekte Frequenz und Phasenlage gewährleistet – oder durch einen internen Sinusgenerator, der mit dem Netz synchronisiert wird. Damit der Strom nicht nur gesteuert sondern geregelt wird, bedarf es außerdem einer Messung des Ausgangsstromes. Dieser tatsächliche Ausgangsstrom wird am Stromregler mit dem sinusförmigen Sollwert verglichen. Ist der Augenblickswert des Stromes zu klein wird die Einschaltzeit verlängert. Im umgekehrten Fall wird sie verkürzt. Der Stromregler ist von allen betrachteten Reglern der dynamischste. Bei einer Wechselrichter Taktfrequenz von zum Beispiel 20 kHz wird pro Sekunde 20.000 mal nachgeregelt um die Abweichung zwischen Soll- und Istwert zu minimieren. Soweit zur Stromreglung.
Wenn man nun die Leistung die ins Netz eingespeist werden soll erhöhen möchte, muss man lediglich die Amplitude des sinusförmigen Stromsollwertes erhöhen.
Nach welchen Kriterien erfolgt nun diese Erhöhung?
Die gesamte Wechselstromregelung ist das Stellglied einer überlagerten Eingangsspannungsregelung. Mit anderen Worten: Die Eingangsspannung wird geregelt in dem der ins Netz eingespeiste Strom verändert wird. Auch hier wird ständig der Vorgabewert für die Eingangsspannung mit dem gemessenen Istwert verglichen und der Stromsollwert entsprechend bestimmt. Das ist übrigens eine nicht ganz triviale Aufgabe, da der Regler bei Spannungen oberhalb des MPP – bei Spannungen die größer als die MPP Spannung und kleiner als die Leerlaufspannung des Solargenerators sind – den Strom vergrößern muss um die Eingangsspannung zu verringern. Bei Spannungen die kleiner als Umpp sind – also alle Spannungen zwischen der aktuellen MPP-Spannung und der kleinsten Spannung die der Wechselrichter noch nutzen kann (Im Datenblatt heißen diese Umppmin oder Udcmin), gilt genau das Umgekehrte. Dieser Sachverhalt hat früher bei einigen Wechselrichtern zu verstärkter Schwingneigung (siehe auch hier) in der Nähe des MPP geführt. Der Spannungsregler regelt also die Solarspannung am Wechselrichtereingang auf einen bestimmten Wert.
Doch wo kommt dieser Wert her ?
Erst an dieser Stelle kommt der MPP Regler zum Einsatz, der in der Regel als adaptiver Regler ausgelegt ist und die Eingangsspannungsregelung als Stellglied hat. Der Regler stellt einen bestimmten Spannungssollwert ein und misst die ins Netz eingespeiste Leistung. Anschließend wird dieser Sollwert leicht verändert (die Richtung ob größer oder kleiner ist beim ersten Schritt zunächst egal). Wenn die “neue” Leistung, die nach der leichten Veränderung der Eingangsspannung gemessen wurde nun größer ist als die vorher gemessene, dann wird im nächsten Schritt die Spannung in die gleiche Richtung verändert wie im vorhergehenden Schritt. Ist die Leistung kleiner geworden, wird die Richtung der Veränderung wieder umgekehrt.
Im Ergebnis führt diese Vorgehensweise dazu, dass die Spannung zunächst zu der Spannung läuft bei der die Leistung maximal ist und anschließend ständig um Umpp pendelt. Ein unschöner Nebeneffekt ist der, dass solch ein Regler gerne mal auf einem relativen Maximum hängen bleibt und das absolute Maximum nicht findet. Bessere Regler haben daher eine zusätzliche Strategie. In einem regelmäßigen zeitlichen Abstand, zum Beispiel alle 3 Minuten wird die Solargeneratorkennlinie komplett durchlaufen. Das heißt, der Solargenerator wird bis zum Leerlaufpunkt entlastet und anschließend bis zu der kleinst möglichen Spannung heruntergezogen (Im Datenblatt als Umppmin zu finden). Während dieses Durchlaufes wird ständig die Leistung gemessen, die ins Netz eingespeist wird und es werden in einem Speicher immer Wertepaare mit der Eingangsgleichspannung Udc und der zugehörigen Einspeiseleistung Pac abgelegt. Nach dem erfolgten Durchlauf der Kennlinie wird der Sollwert für die Eingangsspannung auf den Wert gestellt, bei dem vorher die maximale Leistung gemessen wurde. Auf diese Weise kann jeder absolute MPP sicher gefunden werden. Ein kleiner Wermutstropfen dieses Verfahrens besteht lediglich darin, dass der Wechselrichter während des Kennliniendurchlaufes nicht exakt im MPP des Solargenerators arbeiten kann. Dadurch entstehen natürlich auch kleine Leistungseinbußen.
Beispiel: Ein kompletter Kennliniendurchlauf dauere 2 Sekunden. Es soll alle 3 Minuten ein Kennliniendurchlauf erfolgen und während des Kennliniendurchlaufes betrage die eingespeiste Leistung ungefähr die Hälfte der MPP Leistung. Dann gilt für die mittlere Leistung, die in dieser Zeit abgegeben wird: (2sec*P/2+(3*60sec-2sec)*P)/(3*60sec) = 0,994 oder anders ausgedrückt: Die Leistungseinbuße beträgt 0,55%.
Sehr informativ dieser Artikel. Aber was geschieht denn nun wenn der Generator (sagen wir der String) zwar die UdcMin überschreitet, jedoch im Belastungsfall nicht an Umppmin heranreicht. Wie bestimmt der Wechselrichter nun seinen Arbeitspunkt?
Es gibt ja durchaus Wechselrichter z.B. von Kostal die eine Umppmin (lt. Dateblatt) von 400 oder gar 420V aufweisen jedoch eine Startspannung von kleiner 200V.
Hallo Stefan,
Udcmin (Startspannung) und Umppmin unterscheiden sich dadurch, dass der Wechselrichter bei Umppmin erstmals seine Nennleistung liefern kann. Wechselrichter werden immer auf einen maximalen DC-Strom ausgelegt. Wenn die Spannung unter einen bestimmten Wert sinkt, können die Geräte dann nicht mehr die volle Nennleistung, die auf dem Datenblatt angegeben ist einspeisen. Wenn der Solargenerator allerdings gerade nicht die volle Leistung liefert und einen MPP unter Umppmin hat, sollte der Wechselrichter diesen problemlos anregeln können.Grundsätzlich läuft die Sache so, dass der Wechselrichter immer versuchen sollte die maximale Leistung aus dem Solargenerator zu entnehmen. Wenn der Wechselrichter allerdings schon seine maximale Einspeiseleistung erreicht hat (z.B. wenn der Solargenerator gegenüber dem Wechselrichter überdimensioniert ist) erübrigt sich weiteres Regeln, da er ohnehin nicht mehr Leistung einspeisen kann.
zu Deiner Frage: Was passiert, wenn der MPP des Solargenerators unter Umppmin liegt ?
Antwort: Es kommt drauf an ob die Leistung des Solargenerators über oder unter der maximalen Wechselrichterleistung liegt.
1. Wenn der Solargenerator weniger Leistung liefert als der Wechselrichter (auch bei der kleinen Spannung) einspeisen kann, sollte er ganz normal den MPP anregeln, auch wenn dieser unter Umppmin liegt.
2. Der Solargenerator liefert mehr Leistung als der Wechselrichter abnehmen kann und die MPP Spannung liegt zudem unter Umppmin. Dann sollte der Wechselrichter bei Umppmin verharren und die maximal mögliche Leistung einspeisen, die in diesem Fall unter der MPP Leistung des Solargenerators liegt.
Gruß pvbuero
Hallo,
vielen Dank für die (relativ) simple Erklärung des MPP-Trackings.
Eine Frage habe ich aber noch: Die meisten WR haben einen Umppmax von 800-850V, jedoch deutlich unterschiedliche Umppmin (150-450V). Welche konkreten Auswirkungen hat denn eine hohe Umppmin (450V) ggü. einer niedrigen (150V)?
Vielen Dank und Gruß
Martin B.
Hallo,
grundsätzlich gilt: Je geringer der MPP Spannungsbereich, desto besser kann der Wirkungsgrad des Wechselrichters auf den jeweiligen Spannungsbereich optimiert werden. Ein größerer Spannungsbereich bietet mehr Flexibilität bei der Beschaltung des Wechselrichters und stellt mehr Regelreserve bei Teilverschattung bereit. Bei kleinerem Umppmin können mehr Module verschattet sein und der Wechselrichter kann die unverschatteten Module dennoch im MPP betreiben.
Gruß pvbuero
Hallo,
In einem konkreten Projekt will der Erbauer für eine Generatorleistung von 72 kWp (Süd-/Norddach, 6 Grad Dachneigung), 2 Huawei Wechselrichter mit je 33 kW einsetzen. Laut PV-Sol ist lediglich eine Verstringung mit 17-19 Modulen zulässig. Die Unterdimensionierung beträgt im ungünstigsten Fall 33% (cos-phi 0,9).
Das bedeutet doch konkret, dass die Anlage definitiv das mögliche Einspeisungspotential nicht liefern kann, oder?
Gruß, Hans D.
Ich bitte um Verständnis, dass wir hier im Blog keine Fragen beantworten können, die sich auf ein spezielles Projekt beziehen. Es geht hier um ein allgemeines Verständnis dessen, was eine MPP Regelung macht.
Gruß Matthias Diehl
Sehr interessanter und informativer Blog!
Zum Thema Kennlinienabfahren zur Ermittelung des absoluten MPP:
Schon einmal darüber nachgedacht, was der Regler macht, wenn sich während des 2-sekündigen Kennliniendurchlaufes eine Wolke vor die schiebt oder plötzlich der Himmel aufklart? Das würde bedeuten, dass die Leistungs-Spannungs-Kennlinie verfälscht und somit das Aufklaren des Himmels als vermeindlicher MPP erkannt wird.
Ob es für diesen Fall eine elegante Lösung gibt?
Diese Gefahr besteht natürlich immer. In diesem Fall ist es jedoch sehr wahrscheinlich, dass das anschließende “normale” MPP-Tracking schnell wieder aus dem vermeintlichen absoluten MPP herausfindet, da sich ja dann die komplette Kennlinie wieder ändert. Zudem wird in diesem Fall beim Einstellen der vermeintlich optimalen MPP-Spannung nach dem Durchfahren der Kennlinie vom Wechselrichter eine starke Abweichung zum gemessenen Wert festgestellt. Dieser Umstand kann dafür hergenommen werden, die Kennlinie sofort neu zu messen oder die Zeit bis zum erneuten Durchfahren der Kennlinie zu verkürzen.
Guten Tag,
ein sehr informativer Artilkel. Eine Frage hätte ich jedoch:
Kann man einen MPP-Tracker mit maximaler Modulanzahl und den anderen MPP mit der geringsten Anzahl an Modulen, belegen?
Hallo Tom,
grundsätzlich werden die MPPs unabhängig voneinander geregelt, so dass das gehen muss. Man sollte sich aber immer drüber im Klaren sein, dass bei niedrigen Modulspannungen der DC/DC Wandler den Gesamtwirkungsgrad des Wechselrichters verschlechtert.
Hallo, ich habe über folgendes Scenario nachgedacht:
Auf dem einen String sind 10 PV Module (alle in der Sonne), auf dem zweiten String (insgesamt 6 Module) sind 3 von 6 pv Modulen vollständig beschattet, diese haben 30V Nennspannung (6x30V=180V). Der WR hat eine minimale Eingangsspannung von 120V und der Umppmin liegt bei 150V:
Was passiert wenn der WR dann versucht auf dem zweiten string bei den 3 beschatteten Modulen die Bypass-Dioden zu aktivieren? Dadurch würde aus meiner Sicht der Umppmin Bereich von 150V unterschritten werden, da die Spannung pro aktivierter Diode auf dem String sinkt. Heißt das der WR wäre in dem Scenario gar nicht in der Lage alle Bypass-Dioden der 3 beschatten PV Module zu aktivieren? Die Mindestspannung des WR sollte aufgrund des zweiten Strings zu jeder Zeit gegeben sein.
MfG
Martin
Wenn der MPP des Solargenerators bei einer kleineren Spannung liegt als Udcmin des Wechselrichters, dann bleibt der Wechselrichter in aller Regel an dieser unteren DC Spannung hängen und regelt nicht mehr.
Also wir haben einen Symo 3.7-m. Dieser hat zwei String Eingänge.
Der erste String soll 6 Module mit jeweils Vmpp = 37,9 V (Gesamt: 227,4V). Der zweite Eingang soll aber nur 5 Module haben (189,5V).
Die Spezifikationen vom Wechselrichter sind: DC-Eingangsspannungsbereich (Udc min – Udc max) = 150-800V und Einspeisung Startspannung (Udc start) = 200V.
Wird der zweite String also nicht beim MPP betrieben werden können?
dei Startspannungsangabe bezieht sich immer auf die Leerlaufspannung aus dem Datenblatt. Der WR sollte demnach anlaufen.
Guten Tag,
mal ne andere Frage:
Ich habe drei Module mit diesen Angaben:
Nennstrom Impp (A) 3,73 A
Kurzschlussstrom Isc (A) 4,22 A
Nennspannung Umpp (V) 21,45 V
Leerlaufspannung Uoc (V) 25,35 V
Anzahl der Zellen 80
Gibt es einen Mikrowechselrichter, der damit auch in den MPP Betrieb geht? Typ?
Läuft der MWR überhaupt an, dann eben ohne MPP?
Danke fürs Feedback.
25,35V klingt nach 40 Zellen in Reihe ? 3,73 A klingt allerdings nicht nach 2 40er Strings parallel. Es muss sich demnach um winzige Zellen handeln.
Die üblichen Mikrowechselrichter sind für 60 Zeller mit 6″ Zellen ausgelegt bzw. für 120 Zeller Halfcuts.
Wenn man es herausfinden will, muss man rechnen. Den Temperaturkoeffizient der Spannungen findet man auf jedem Moduldatenblatt. Dann rechnet man die maximal auftretende DC Spannung bei der niedrigsten Auslegungstemperatur aus und die minimal auftretende MPP-Spannung bei der höchsten Auslegungstemperatur. Diese Werte müssen zu dem jeweiligen Wechselrichter passen. Einfacher geht es leider nicht.
Wie man das berechnet habe ich hier im Blog ausführlich beschrieben. Hier der erste von 4 Teilen: https://photovoltaikbuero.de/pv-know-how-blog/ist-bei-der-wechselrichterauslegung-zu-beachten-kriterium-1/
Guten Abend,
Ich habe ein etwas spezielles Problem. Ich habe einen alten WR wegen defekt gegen einen Hybrid WR mit nun 2 Strings getauscht. Nun wollte ich an den zweiten String noch ein paar Module anschließen. Auf Grund der Dachfläche werden es aber nur max. 5 Module werden (Leistungsbereich wird zwischen 450 und 600Watt pro Modul sein, die Betriebsspannung liegt um 40V die Leerlaufspannung um 50V).
Nun das eigentliche Problem der Hybrid WR hat einen DC Spannungsbereich von 140 – 1000 V, die Startspannung liegt bei 150V 40W und der Mpp liegt zwischen 265 – 800 V. Auf Grund der geringen Modulanzahl (5Stck.mehr geht leider wirklich nicht) würde ich auf eine Betriebsspannung von ca. 200 V und eine Leerlaufspannung von ca. 250 V kommen. Ich bin zwar damit oberhalb der Start / Mindestspannung aber immer noch unterhalb der Mpp Spannung. Würde der 2. String dann überhaupt vernünftig arbeiten oder macht das gar keinen Sinn den 2. String mit nur 5 Modulen zu betreiben ? (6 Module passen einfach nicht, es würde auf jeder Seite vom Dach {rechte und linke Seite} dann ca. 24 cm drüber stehen, das wäre von der Wind und Schneelast zu riskant.
Vielen Dank für Ihre Antwort
Bitte einfach mal ins Datenblatt schauen. Dort steht ein Temperaturkoeffizient der Spannung. Man kann damit ausrechnen, wie hoch die Spannung des Stranges bei hohen Modultemperaturen noch sein wird. Wenn diese Spannung dann unter der MPP Spannung des Wechselrichters liegt, macht es keinen Sinn so wenig Module anzuschließen, da der WR nicht mehr dazu in der Lage ist, den MPP anzuregeln.
Guten Tag,
Vielen Dank für die schnelle Antwort, also macht es keinen Sinn, denn auch unter Idealsten Bedingungen bin ich unter der Mpp Spannung. Also muss ich Module finden, die ein Baumaß haben, so das ich 6 Module aufs Dach bekomme oder Module mit deutlich höherer Spannung.
MfG C. Bergmann
Hallo Herr Diehl,
was passiert wenn der Wechselrichter bis 1000V DC Eingangspannung akzeptiert, der MPPT Bereich allerdings nur bei 300-800V liegt und man einen String anschließt, der auf 820V MPP Spannung bei 0 Grad kommt, aber bei -10 Grad in der Leerlaufspannung unter 950V bleibt?
Sollte das dann schon vermieden werden oder kann der Wechselrichter damit noch umgehen?
damit sollte der WR umgehen können. Es kann dann höchstens passieren, dass er mal den MPP nicht exakt anregeln kann.