Wechselrichter-Derating – Erwünscht und unerwünscht zugleich
Was ist Derating eigentlich und was macht der Wechselrichter dabei? Und wieso ist es wichtig aber dennoch unerwünscht? Diese Fragen beantworten wir heute. Zudem sehen wir uns das Derating Verhalten von zwei bekannten Wechselrichtern genauer an.
Was ist ein Derating?
Für viele ist das Derating bestimmt schon ein bekannter Begriff. Aber vermutlich wurde es beim ersten mal nicht direkt mit dem PV Wechselrichter in Verbindung gebracht. Einige haben vielleicht auch in der Formel 1 davon gehört. Dort wird das „De-rating“ mit einem Leistungsverlust des Autos in Verbindung gebracht. Und auch beim PV Wechselrichter ist das gar nicht so unterschiedlich. Genau genommen bedeutet das Derating im PV Bereich aber eine temperaturabhängige Leistungsreduzierung. Das bedeutet die Ausgangsleistung wird gezielt reduziert um somit auch die Temperatur im Wechselrichter zu verringern.
Im Betrieb steigt mit zunehmender Leistung auch die Temperatur im Wechselrichter. Man kennt das ganze auch von gewöhnlichen Stromleitungen - je größer der Strom, desto höher auch die Temperatur. Jedenfalls passiert das auch in der Leistungselektronik des Wechselrichters.
Zu hohe Temperaturen können aber gefährlich werden und sind mitunter einer der Hauptgründe weshalb Elektronik defekt wird. Daher ist es wichtig, dass eine gewisse Grenze nicht überschritten wird. In erster Linie werden dafür Kühlmaßnahmen eingesetzt. Wechselrichter verwenden dazu aktive oder passive Kühlung. Das reicht im Normalfall aus um den Wechselrichter permanent auf ein unbedenkliches Temperatur-Level zu halten. Sollte das aber nicht der Fall sein weil zum Beispiel auch die Umgebungstemperatur sehr hoch ist, kann der Wechselrichter die Ausgangsleistung reduzieren. Somit nimmt auch die Temperatur wieder ab und die Elektronik überhitzt nicht.
Schutzmaßnahme aber nicht wünschenswert
Beim Derating handelt es sich also in erster Linie um eine Schutzmaßnahme, die dafür sorgt dass die Temperatur nicht ein gefährliches Limit erreicht. Gleichzeitig muss aber auch die Leistung dabei verringert werden was uns auf lange Zeit schlichtweg Energie und Geld kostet. Der Wechselrichter kann nicht die volle Leistung liefern, die eigentlich möglich wäre sondern muss bewusst einen schlechteren Arbeitspunkt wählen. Das Derating ist in dieser Hinsicht also nicht wünschenswert. Im besten Fall muss es erst gar nicht aktiv werden.
Warum reichen Kühlmaßnahmen nicht immer aus?
Wie bereits erwähnt, sollen im ersten Schritt die Kühlmaßnahmen dafür sorgen, dass der Wechselrichter nicht überhitzt und es somit gar nicht zum Derating kommen muss. Das ist aber nicht immer der Fall. Der Hauptgrund dafür ist der zusätzliche Wärmeeinfluss von außen. Wechselrichter, die im Innenraum bzw. in kühler Umgebung installiert sind, haben kaum Temperaturprobleme. Wenn diese aber im Außenbereich installiert sind oder direkt neben anderen Wärmequellen, dann sieht das ganze schnell anders aus. Vor allem die direkte Sonneneinstrahlung kann extrem hohe Temperaturen verursachen, mit denen die Kühlmaßnahmen alleine nicht klar kommen. Bei Außenmontage sollte also immer darauf geachtet werden, dass der Wechselrichter vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt sind. Vor allem bei Freiflächenanlagen ist das immer wieder ein Problem wenn Wechselrichter oft unter den Modulflächen installiert werden aber nicht komplett vor direkter Einstrahlung geschützt sind. Aber auch wenn dieser an einer einfachen Hausmauer installiert ist, ist direkte Sonneneinstrahlung nicht unwahrscheinlich.
Ein weiterer Grund kann aber auch sein, wenn die Kühlmaßnahmen nicht ordentlich funktionieren. Die aktive Kühlung mit Lüfter hat sich ja grundsätzlich als die effektivere Kühlmaßnahme bewiesen weil damit einfach effektiver gekühlt werden kann als mit aktiver Kühlung. Allerdings kann es beim Einsatz von Lüftern auch zu Problemen kommen. Wenn diese kaputt gehen gibt es keine Kühlung mehr. Viel öfter aber können auch Lüftungsschlitze oder Lüftungsgitter verschmutzt sein, dass keine warme Luft mehr abtransportiert werden kann. Im Innenbereich ist das kaum der Fall. Das ganze ist speziell anfällig im gewerblichen oder landwirtschaftlichen Bereich. Ein Klassiker wäre die Staubentwicklung bei Erntearbeiten. Grundsätzlich kann man dieses Problem aber vermeiden durch die Auswahl eines geeigneten Installationsort. Notfalls reicht es aber auch fast immer aus die Lüftungsgitter zu reinigen und die aktive Kühlung durch die Lüfter funktioniert wieder. Es sind also eher Einzelfälle aber dennoch sollten sie erwähnt werden.
Aber auch die Kühlkörper in passiv gekühlten Wechselrichtern können verschmutzt werden und die Abwärme kann nicht mehr richtig abgeführt werden. Die Probleme sind hier aber auch oft äußere Wärmequellen wie direkte Sonneneinstrahlung, die vom passiven Kühlprinzip nicht kontrolliert werden können.
Wann kommt das Derating zum Einsatz?
Also wenn unsere Kühlmaßnahmen funktionieren, dann brauchen wir ja im besten Fall die Leistungsreduzierung überhaupt nicht. Aber es gibt eben die oben genannten Gründe, die zur Folge haben, dass die Kühlmaßnahmen nicht ausreichen. Und dann muss eben doch die Leistung reduziert werden. Auch die Qualität der Wechselrichterkühlung spielt hier eine wichtige Rolle. Wenn diese bereits ihren Job gut macht, braucht es das Derating nicht. Es wird keine Energie verschwendet.
Im Falle bleibt das Derating aber nach wie vor eine wichtige Schutzfunktion
Wir sehen uns mal die Derating Kurven vom SMA Sunny Tripower und vom Fronius Gen24 an. Vorweg - beide haben verglichen zu weiteren Herstellern sehr gute Werte, sprich das Derating muss erst bei vergleichsweise hoher Temperatur stattfinden. Beide Wechselrichter nutzen aber auch aktive Kühlung durch Lüfter, die sich automatisch einschalten können sobald die Temperatur ansteigt.
Wenn wir die beiden Kennlinien vergleichen fällt auch auf, dass des Derating Verhalten auch abhängig von der DC Spannung ist. Beides sind dreiphasige Wechselrichter. Die DC Spannung im Zwischenkreis ist hier rund 600V DC für die Umwandung auf ein 3-phasiges Netz mit 230/400V. Liegt diese Spannung an, wird nur wenig zusätzliche Wärme erzeugt. Liegt die DC Spannung weit darunter oder über dieser Spannung von 600V, beginnt aufgrund der zusätzlichen Wärmeerzeugung auch das Derating schon früher.
Vor allem der SMA muss bei 600V DC seine Leistung erst sehr spät bei rund 55°C limitieren. Der Fronius ab etwa 45°C, jedoch hält der Fronius auch bei weiterhin zunehmender Temperatur seine Ausgangsleistung noch lange auf über 80%. Der SMA regelt also etwas später ab, aber dafür muss er die Leistung stärker limitieren.
In der Praxis fallen die Leistungsminderung durch Derating oft nichtmal auf. Für gewöhnlich gibt der Wechselrichter eine Statusmeldung wenn dieser aufgrund erhöhter Temperatur die Leistung limitieren muss. Wir haben aber auch schon Wechselrichter beobachtet, die in das Leistungsderating gehen ohne auch nur eine Info von sich zu geben. Es lohnt sich also im Zweifelsfall mal abzuklären ob die Temperatur in Ordnung ist ob der Wechselrichter bei hohen Temperaturen die Leistung limitiert. Auf lange Sicht gesehen kann da je nach Umgebungsbedingungen des Wechselrichters einiges an verlorener Energie zusammenkommen.
Welche haben Erkenntnisse haben wir nun also gesammelt?
Wir wissen das Derating ist grundsätzlich eine Schutzfunktion, die den Wechselrichter und seine Bauteile vor Überhitzung schützt. Gleichzeitig sollte es aber im besten Fall vermieden werden weil es dabei zu Leistungslimitierungen kommt. Kühlmaßnahmen sollen dafür sorgen, dass die Temperatur auch bei voller Leistung niedrig gehalten wird. Daher sollte man auch auf den Installationsort achten und drauf wie gut der Wechselrichter gekühlt wird. Die Derating Kurve kann hier helfen.