Wie funktioniert die MPP Regelung eines Photovoltaikwechselrichters

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%.

6 thoughts on “Wie funktioniert die MPP Regelung eines Photovoltaikwechselrichters

  1. 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.

  2. 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

  3. 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.

  4. 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

  5. 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.

    1. 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

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