Drei Phasen für mehr Netzstabilität - Dreiphasige Wechselrichter in kleinen Leistungsklassen

PV-Wechselrichtern kommt eine bedeutende Rolle zu: Sie sind die Schnittstelle zwischen der PV-Anlage und dem öffentlichen Stromnetz. Da eine unterbrechungsfreie Stromversorgung in Deutschland einem Heiligtum gleichkommt, haben sie dafür zu sorgen, dass der eingespeiste Strom die Netzstabilität nicht gefährdet. Die technischen Anforderungen hierfür formulieren die Netzbetreiber. Eine der neueren Auflagen lautet, dass Strom bei Anlagen über 4,6 kW Leistung symmetrisch in die drei Netzphasen eingespeist werden soll. Deshalb kommen immer mehr dreiphasige Wechselrichter auf den Markt, derzeit vor allem in kleinen Leistungsklassen.
Mit dem Einsetzen des PV-Booms ab etwa 2009 geriet die einphasige Einspeisung von Solarstrom, die lange Zeit üblich war, in das Visier der Netzbetreiber. Zur Erklärung: Unterschieden wird zwischen ein- und dreiphasiger Stromversorgung. Außerhalb des Hausnetzes, z.B. im Niederspannungs- und im Hochspannungsnetz, fließt Dreiphasenwechselstrom (kurz: Drehstrom). Dieser Mehrphasenwechselstrom besteht aus drei einzelnen Wechselströmen oder Wechselspannungen gleicher Frequenz.
Der dreiphasige Wechselstrom endet beim Hausanschluss. Im Haus wird nur jeweils eine der drei Phasen an die Steckdosen geführt. Der Strom, der aus der Steckdose kommt, ist also Einphasenwechselstrom.

Netzgefährdende Asymmetrie
Da Solarstrom über den Hausanschluss eingespeist wird, war bisher eine einphasige Einspeisung üblich, bei kleineren ebenso wie bei mittelgroßen Anlagen. Das birgt jedoch eine Gefahr, vor allem dort, wo die Anlagendichte sehr hoch ist. „Wenn die einphasigen Geräte ungünstig auf die Netzphasen verteilt sind, können Asymmetrien zwischen den drei Netzphasen entstehen“, erklärt Olaf Geistlinger, Leiter des Produktmanagements Stringwechselrichter bei Sputnik Engineering, Hersteller der Wechselrichtermarke Solarmax. „Dreiphasig einspeisende Wechselrichter hingegen speisen den Strom auf allen drei Phasen in das Netz ein und verteilen die Leistung symmetrisch.“ Lastspitzen und Lasteinbrüche, die zum Beispiel durch Einstrahlungsänderungen verursacht sein können, führen so zu weniger starken Spannungsänderungen im Stromnetz. Dadurch wird das Risiko von Grenzwertüberschreitungen gesenkt.
Asymmetrien zwischen den Spannungen in den drei Netzphasen können dazu führen, dass Endverbrauchergeräte beschädigt werden. Das kann der Herd im privaten Haushalt sein, aber auch eine Maschine in einem Gewerbebetrieb. Im Extremfall müssen sich die Wechselrichter aufgrund zu hoher Spannungsasymmetrien vom Netz trennen.
Um die Netzstabilität zu gewährleisten, müssen die Netzbetreiber für solche Szenarien Regelreserven – z.B. in Form von Energiespeichern wie Akkus oder elektrochemischer Speicher – bereithalten. „Diese Reserven sind kostspielig und schlagen sich letztendlich auf den Verbraucherstrompreis nieder“, sagt Geistlinger. Der Ruf nach dreiphasiger Einspeisung wurde deshalb immer lauter.
Die Forderung der Netzbetreiber mündete in der Anwendungsregel VDE-AR-N 4105, die eine symmetrische dreiphasige Einspeisung vom Wechselrichter oberhalb von 4,6 Kilovoltampere (kVA) fordert. Die Anwendungsregel trat 2012 in Kraft. Sie beschränkt den Einsatz einphasiger Wechselrichter auf Anlagen mit bis zu 4,6 kVA pro Phase beziehungsweise 13,8 kVA für ein dreiphasiges System. Anders ausgedrückt: Bei PV-Anlagen über 4,6 kW Leistung muss die Stromeinspeisung dreiphasig erfolgen. Neben dieser normativen Vorgabe machen die Netzbetreiber noch Auflagen für die Grenzwerte.
„Durch diese Beschränkung und das vorhandene dreiphasige Stromnetz, auch in privaten Wohnhäusern, verändert sich die Nachfrage auf dem deutschen Markt zunehmend zugunsten der dreiphasigen Wechselrichter“, sagt Giacomo Bambi, Produktmarketingmanager bei Power One.

Kleine Leistungsklassen
Weitblick bewies Kostal Solar Electric. Der Wechselrichterhersteller aus Hagen brachte schon 2007 seinen dreiphasigen Wechselrichter „Piko 5.5“ mit einer AC-Nennleistung von 5,5 kW auf den Markt.
Im Jahr darauf folgte Refusol mit einem dreiphasigen Wechselrichter mit 10 kW Leistung (Refusol 010K). 2011 folgte das Modell „008K“ mit 8,25 kW Leistung. Auch Sputnik Engineering führte Ende 2010 ein dreiphasiges Gerät mit 10 kW Leistung in den Markt ein (10MT2).
Erst 2012, als die neue Anwendungsregel in Kraft trat, folgten noch zahlreiche andere. Diehl Controls hat seit dem Sommer 2012 dreiphasige Platinum-Geräte mit 6 bzw. 8 kW Leistung im Programm. Solutronic präsentierte das dreiphasige Gerät „Solplus 80“ bis 8 kW Nennleistung. SMA Solar Technology stellte in dem gleichen Jahr seine Produktreihe „Sunny Tripower“ mit Geräten von 5 bis 9 kW Leistung vor. Sputnik Engineering präsentierte Anfang 2012 seinen „8MT2“ mit 8 kW Leistung.
In diesem Jahr geht es weiter. Seit Ende März ist Power One mit einem 6 und einem 8 kWh-Gerät auf dem Markt. Der österreichische Hersteller Fronius hat schon eine Palette von dreiphasigen Geräten mit 5 bis 12 kW Leistung, ergänzt diese in diesem Herbst aber um die neue „Symo“-Reihe in den Leistungsklassen 3, 3,7 und 4,5 kW, auffallend kleine Leistungsklassen. Der chinesische Hersteller Sungrow kündigte für diesen Herbst ein 8 und ein 10 kW-Gerät an. Steca bietet ebenfalls einen dreiphasigen Wechselrichter mit 8 und 10 kW Leistung an. Kostal bietet mittlerweile auch ein 4,2 kW-Gerät an.
Bevor diese kleinen Leistungsklassen kamen, konzentrierten sich die Hersteller darauf, dreiphasige Geräte in größeren Leistungsklassen (über 10 kW) herzustellen. Damit begründet Kaco New Energy, immerhin einer der führenden Wechselrichterhersteller, es auch, dass das Unternehmen erst seit diesem Frühjahr einen dreiphasigen Wechselrichter mit 9 kW Leistung auf den Markt brachte. Für die Hersteller wird es jedoch immer mehr zur Pflicht, solche Geräte im Programm zu haben. Immerhin müssen sie es ihren Kunden ermöglichen, die Auflagen ihres Netzbetreibers bzw. der VDE-Anwendungsregel zu erfüllen.

Verschiedene Einsatzorte
Die Wechselrichter können bei den unterschiedlichsten Installationsarten eingesetzt werden. Armin Steck, Leiter Produktmanagement bei Diehl Controls, sieht die kleinen Leistungsklassen im Bereich kleinerer Anlagen. Wilfried Vogt, Technischer Produktmanager bei SMA, nennt ausdrücklich den Eigenheimsektor als Anwendungsgebiet für die „Sunny Tripower“-Geräte. Michael Groll, Leiter Globales Marketing bei Refusol, hingegen will den Radius nicht zu sehr einschränken: „Die Anwendungsbereiche gehen vom privaten Hausdach über landwirtschaftliche Gebäude bis hin zu aufgeständerten PV-Großanlagen“, sagt er. Dazu ergänzt er, dass die Refusol-Geräte sich besonders für den Außenbereich eignen, dies begründet er aber mit dem besonders witterungssicheren Gehäuse (Schutzart IP65). Gleiches ist von Diehl Controls zu hören.  
Die Tatsache, dass die Leistungsklassen immer kleiner werden, deutet in jedem Fall darauf hin, dass die Hersteller mehr und mehr kleine und Kleinstanlagen im Blick haben. Denn seit der Vergütungsabsenkung im vergangenen Jahr gewinnen diese immer größere Marktanteile.
Eine Alternative zum dreiphasigen Wechselrichter ist es, drei einphasige Geräte mit symmetrischer Koppelung zu installieren. Doch das ist in der Summe teurer, zudem benötigen drei Wechselrichter mehr Platz als einer.
Vor allem aber haben die Energieversorger einen Nutzen von der symmetrischen Leistungseinspeisung. „Sie führt zu einer Reduktion der Schieflast im Ortsnetz und macht eine weitere Integration von PV-Anlagen in das bestehende Netz möglich“, erklärt Vogt von SMA. Auch der Installateur habe Vorteile. „Im Vergleich zu drei einzelnen Geräten ist die Installationseffizienz höher.“ Es würden weniger Teile benötigt und kleinere Querschnitte müssten angeschlossen werden. Außerdem müssen Installateure, wenn sie dreiphasige Geräte einsetzen, in der Anlagenplanung die normativ geforderte Beschränkung auf 4,6 kVA Schieflast nicht berücksichtigen.
Die Geräte entwickelten die Hersteller nicht nur für den deutschen Markt, sondern für den weltweiten. Eingesetzt werden können sie lediglich dort nicht, wo es einphasige Haushaltsanschlüsse gibt. Das ist z.B. in Italien der Fall. Die Entscheidung, ob ein einphasiger oder ein dreiphasiger Wechselrichter eingebaut wird, hängt außerdem von den Vorgaben des jeweiligen Netzbetreibers ab.

Unterschiedliche Extras
In gewissen Merkmalen unterscheiden sich die Wechselrichter gleichwohl. So bieten die Hersteller Kostal, Solutronic und Power One beispielsweise trafolose Geräte an. Bei Refusol ist der Datenlogger für die Anlagenüberwachung gleich integriert.
Darüber unterscheiden sie sich in der Zahl der MPP-Tracker. Die Wechselrichter von Power One und Sputnik Engineering haben jeweils zwei MPP-Tracker, die asymmetrisch belastet werden können. Dadurch lassen sich zwei verschiedene Strings unterschiedlicher Modulanzahl anschließen. „Dank dieses Multi-Tracking-Konzepts wird der Betriebspunkt einzelner Modulfelder individuell eingestellt und somit optimiert“, erklärt Geistlinger von Sputnik Engineering. Schon bei der Installation lasse sich der Solargenerator zielgerichtet aufteilen, um Leistungsverluste zu minimieren, die durch temporäre Verschattungen auftreten können. So sind z.B. unterschiedliche Dachflächen, Neigungswinkel und Ausrichtungen kein Problem mehr und die Module arbeiten immer optimal.
Die Wechselrichter von Kostal und Solutronic haben sogar drei MPP-Tracker. Damit können theoretisch Anlagen mit drei verschiedenen Ausrichtungen bedient werden. „Das gibt es aber nicht oft“, sagt Sibylle Scheuerle-Kraiss, Produktmanagerin bei Solutronic. „In der Regel sind es zwei verschiedene Ausrichtungen. Bei drei wären es z.B.: ein Carport und ein kleines Ost/Westdach oder ein Hausdach mit Ost/West-Ausrichtung und ein Erker. Bei kleineren Einheiten sind das wirklich kleine Dachflächen.“
Die Hersteller gehen davon aus, dass die Nachfrage nach dreiphasigen Geräten in kleinen Leistungsklassen weiter steigen werde, vor allem dort, wo es eine hohe Anlagendichte gibt und die Netzbetreiber entsprechende Forderungen stellen. Einige Hersteller kündigen bereits an, dass sie neue Modelle in weiteren kleinen Leistungsklassen auf den Markt bringen werden.

Autor: Ina Röpcke

Herstellerliste (Auszug)
Diehl AKO Stiftung & Co. KG, 88239 Wangen im Allgäu, www.diehl.com
Kaco new energy GmbH, 74172 Neckarsulm, www.kaco-newenergy.de
SMA Solar Technology AG, 34266 Niestetal, www.sma.de
REFUsol GmbH, 72555 Metzingen, www.refusol.com
Fronius International GmbH, A-4600 Wels, www.fronius.com
Solutronic AG, 73257 Köngen, www.solutronic.de
Kostal Solar Electric, 58099 Hagen, www.kostal-solar-electric.com
Sungrow Deutschland, 81541 München, www.sungrowpower.com
Steca Elektronik GmbH, 87700 Memmingen, www.stecasolar.com
Danfoss Solar Inverters A/S, 63073 Offenbach, www.danfoss.com/solar