Notstrom für PV-Anlage

Immer mehr Haushalte werden mit PV-Anlagen unterschiedlicher Art ausgestattet. Moderne PV-Module sind schon in der Lage etwa 20% der Sonnenenergie in den Strom umzuwandeln, was diese Art der Stromerzeugung sehr attraktiv macht.

Notstromlösungen bei einer bestehenden PV-Anlage ohne und mit PV-Speicher

Das Herzstück der PV-Anlage ist der Wechselrichter. Dabei ist zwischen On-Grid-, Hybrid- und Off-Grid-Wechselrichtern zu unterscheiden.

On-Grid- und Hybrid-Wechselrichter werden mit dem öffentlichen Netz synchronisiert und sind in der Lage die überflüssige Energie ins öffentliche Netz einzuspeisen.

Ein Notstromerzeuger kann bei einem Stromausfall das öffentliche Netz für On-Grid- und Hybrid-Wechselrichter nicht ersetzen, da er die überflüssige Energie nicht aufnehmen kann. Die Rückspeisung seitens Wechselrichters kann den Generator beschädigen.

Eine Ausnahme können netzgeführte Wechselrichter sein, die extra einen Generator-Eingang haben, wo die Rückspeisung durch eingebaute Stromsensoren zu 100% verhindert werden kann. So ein Generator muss aber für den Wechselrichter akzeptable Spannungsparameter haben, was bei einem konventioneller Stromerzeuger nicht immer der Fall.

Der Notstromerzeuger bei einer PV-Anlage mit On-Grid- Wechselrichter soll bei einem Stromausfall nur die notstromberechtigten Stromverbraucher versorgen, wobei der Wechselrichter und der eventuell vorhandene PV-Speicher bleiben dabei auf der Seite des öffentlichen Stromnetzes und werden mit einem Lastumschalter allpolig getrennt, sodass der Generator nicht parallel zu dem Wechselrichter oder dem AC-Stromspeicher läuft.

Anschlussplan bei Verwendung von Inverter-Generatoren ohne ATS-Funktion:

Eine automatische Umstellung auf Notstromversorgung der 230V-Stromverbraucher bei einem Stromausfall ist bei Verwendung von Generatoren mit ATS-Funktion möglich.

Variante der 230V-Notstromversorgung mit dem Inverter-Generator KS 5500iES ATSR mit einer externen ATS-Einheit KS ATS 4/25 Inverter:

 

Variante der 230V-Notstromversorgung mit dem Inverter-Generator KS 8100iE ATSR mit einer externen ATS-Einheit KS ATS 4/25 Inverter:

Die Notstromversorgung in allen den oben beschriebenen Fällen erfolgt mit 230V. Auf diese Weise können beinahe alle Stromverbraucher im Hause bei einem Stromausfall versorgt werden. Drehstromverbraucher (falls vorhanden) müssen separat versorgt werden. 3-Phasen Stromverbraucher mit elektronischer Steuerung brauchen in der Regel eine „saubere“ Sinuswelle, die ein konventioneller Stromerzeuger nicht erzeugen kann. Mehr Infos zu 230V- und 400V-Notstromversorgung findet man in unserem Infomaterial zu diesem Thema.

Wenn der Generator nicht fest installiert werden soll oder sich in einer großen Entfernung von der Umschaltvorrichtung befindet, empfehlen wir unsere einzigartigen Inverter-Generatoren mit internem ATS-Modul zu verwenden. Dies erfordert allerdings die Verwendung von einem externen automatischen Umschalter mit Priorität auf einer Seite.

Der Generator überwacht die Spannung in der Schuko-Steckdose, die vor dem Umschalter angeschlossen und durch einen Leitungsschutzschalter und einen FI-Schalter oder durch RCBO (Überlast- und Berührungsschutz in einem) abgesichert wird. Diese Steckdose ohne den angeschlossenen Generator kann als eine normale Außensteckdose genutzt werden. Diese Steckdose hat bei einem Stromausfall keine Spannung mehr und das ist entscheidend für die ATS-Steuerung des Generators. Es ist ein Signal zum Starten des Generators.

Variante mit dem Inverter-Generator KS 6000iES ATS der Version 2 wo der MAINS INPUT die die 230V überwacht, leitet diese aber im Wartemodus nicht zum Ausgang weiter:

Der Generator auf dem Schaltplan wird nicht fest installiert, sondern je nach Bedarf an die vorinstallierte Schuko-Steckdose und die CEE 230V 32A Einspeisedose angeschlossen. So kann der Generator bei Bedarf auch mobil verwendet werden. Eine feste Installation ist selbstverständlich auch möglich, man braucht dafür aber einen geeigneten Raum und eine Abgasführung.

Der Generator wird an die N-Seite des automatischen Umschalters angeschlossen, die eine Priorität beim Umschalten hat, sodass der Schalter beim Wiederkehren der Hauptstromversorgung nicht sofort auf das öffentliche Stromnetz umschaltet, sondern erst wenn der Generator seinen Ausgang abschaltet. Der Generator KS 6000iES ATS der Version 2 analysiert ca. 1 Minute die Spannung an seinem MAINS INPUT Anschluss und erst danach schaltet den Ausgang ab und gibt somit das Umschalten auf die Hauptstromversorgung frei. Dies entspricht der Vorschrift wonach eine automatische Umschaltvorrichtung auf das öffentliche Stromnetz nicht sofort umschalten darf, sondern mit einer Verzögerung von 1 Minute.

Ein automatischer Betrieb ist nur mit dem KS 6000iES der Version 2 (ohne Durchschalten von MAINS INPUT zu dem Ausgang) möglich. Dabei soll die ATS-Funktion aktiviert werden, damit der Generator automatisch startet falls in der Schuko-Steckdose keine Spannung mehr anliegt und entsprechend keine Spannung an MAINS INPUT mehr kommt.

Hybrid-Wechselrichter mit einem PV-Gleichstromspeicher schalten bei einem Stromausfall auf Notstrombetrieb. Dabei wird die von Solarzellen gelieferte und in dem PV-Speicher gespeicherte Energie aufgebraucht.

PV-Anlagen mit einem Hybrid-Wechselrichter haben in der Regel PV-Speicher mit kleineren Kapazitäten, da diese nur dafür gedacht sind, die überflüssige Energie zu speichern um diese in der Nacht etc. zu verbrauchen. Was macht man aber wenn die Sonne wenig scheint und die gespeicherte Energie aufgebraucht ist? Dann braucht man einen Generator.

In dem Fall empfehlen wir den PV-Speicher (nur DC) von einem Notstromerzeuger zu laden, damit der Hybrid-Wechselrichter das Haus wie üblich weiter versorgen kann.

Der Stromspeicher wird entweder von einem Wechselstromgenerator mit einem Ladegerät oder von einem Gleichstromgenerator geladen. Das Ladegerät oder der Gleichstromgenerator müssen zu dem PV-Stromspeicher passen.

Variante mit dem Inverter-Generator KS 6000iES ATS der Version 2 wo der MAINS INPUT die 230V überwacht, leitet diese aber im Wartemodus nicht zum Ausgang weiter:

Der Batteriewächter überwacht die Batteriespannung und unterbricht 230V zur Schuko-Steckdose falls die Batterie-Spannung unter den eingestellten Wert kommt. Der Generator startet und liefert die Wechselspannung zum Ladegerät, das seinerseits den Stromspeicher lädt um ausreichend Energie für den Wechselrichter zur Verfügung zu stellen.

Der KS 6000iES ATS ist mit einer Lithium-Batterie ausgestattet, die nachgeladen wird solange 230V-Spannung am MAINS INPUT anliegt oder der Generator läuft. So bleibt die Batterie immer geladen und betriebsbereit. Die Lithium-Batterie hat wenig Kapazität, dafür aber einen hohen Startstrom und wird relativ schnell nach dem Starten des Generators nachgeladen.

ACHTUNG!
So ein Schaltplan ist nur mit dem Generator KS 6000iES ATS der Version 2 möglich! Ladeleistung nach so einem Schema kann je nach Bauweise des Ladegeräts (je nach Leistungsfaktor und Form der Stromaufnahme) bis zu 2-4 kW betragen.

Bei Systemen mit Energiemanagement wird öfter nur der Ladevorgang des PV-Speichers seitens MPPT-Kontroller berücksichtigt. Fragen Sie beim Hersteller Ihres Wechselrichters nach ob das Laden des PV-Speichers von einer externen DC-Stromquelle technisch zulässig ist und keine Fehler verursacht.

So eine DC-Stromquelle soll als ein Lademodul mit IU-Kennlinie funktionieren was der Einsatz von einer reinen DC-Spannungsquelle nicht möglich macht. So ein Ladegerät oder Lademodul soll einen sogenannten „Maximum Power Point“ haben wo die Spannung runter kommt, wenn der Ausgangsstrom den maximalen Wert erreicht. Die Aufgabe des Lademoduls ist nicht die Batterie vollständig zu laden, sondern zumindest zum Teil, sodass die Stromversorgung aufrecht erhalten bleiben kann. Vollständiges Laden der Batterie erfolgt von Solarmodulen durch den Ladekontroller.

Die Notstromversorgung durch Laden des Batteriespeichers hat eindeutige Vorteile bezüglich zu versorgende Stromverbraucher. Die Stromversorgung erfolgt nach wie vor mit einer „sauberen“ Sinuswelle, die den Wechselrichter erzeugt. Die maximale Leistung wird nach wie vor durch Parameter des Wechselrichters und des Stromspeichers bestimmt. Der Generator muss nur ausreichend Energie nachfüllen.

In Systemen wo die Stromaufnahme nicht konstant bleibt (z.B ein Haus oder ein Büro) wird der Generator nicht permanent laufen, sondern nur je nach Bedarf. Nachdem die Batterie bis zur an dem Batteriewächter eingestellten Spannung geladen ist, schaltet der Generator ab und die Stromverbraucher werden von der Batterie über den Wechselrichter versorgt. Auf diese Weise ist ununterbrochene Stromversorgung auf Dauer möglich, was sehr wichtig bei einem längeren Stromausfall. Der Generator läuft mit Pausen und hat auch Zeit zum Abkühlen. Der Kraftstoff wird auch optimal verbraucht, da der Motor nicht ohne Last laufen muss.

Off-Grid-Wechselrichter speisen nicht ins öffentliche Netz ein und versorgen nur die angeschlossenen Stromverbraucher. Diese Wechselrichter funktionieren zusammen mit einem DC-Stromspeicher und haben in der Regel einen Anschluss für eine externe Wechselstromquelle, die bei Bedarf die Stromversorgung übernehmen kann.

Diese externe Wechselstromquelle muss je nach Einstellung des Wechselrichters auch in der Lage sein ausreichend Energie zum Aufladen des Stromspeichers zu liefern. Manche Wechselrichter haben in dem Zusammenhang eine extra Einstellung bezüglich Einschränkung der gesamten Leistung, die der Wechselrichter von einer externen Wechselstromquelle beziehen darf. Diese Leistung wird dann zwischen dem DC-Batteriespeicher und den zu versorgenden Stromverbrauchern aufgeteilt.

Das Laden der Batterien mit einer hohen Leistung von einer Wechselstromquelle hat Besonderheiten, die unbedingt beachtet werden müssen, besonders bei Verwendung von einem Stromerzeuger. Die beim Ladevorgang entstandene Blindleistung und Übergangsprozesse können dem Generator schaden.

Die meisten AC/DC-Ladegeräte oder Lademodule haben eine impulsartige Stromaufnahme auf der AC-Seite und laden den Batteriespeicher ebenso impulsartig:

In Gelb ist die AC-Spannung abgebildet. Bei Ladegeräten oder Lademodulen ohne die Leistungsfaktorkorrektur werden somit nur die Maxima der Sinuswelle verbraucht.

Das Laden der Batterie über das im Wechselrichter verbaute Lademodul weist öfter das gleiche Problem auf. Die Batterie wird extrem impulsartig geladen:

 In Gelb links ist die Batteriespannung und rechts ist die Netzspannung. In Grün ist der Ladestrom gemessen an dem Batteriekabel beim Laden über den Wechselrichter.

Der Ladestrom solcher Lademodule wird durch Impulsbreite geregelt, was das Problem einer ungleichmäßigen Belastung der Sinuswelle noch verschärfen kann:

Der Stromspeicher der PV-Anlage wird praktisch mit 100 Impulsen pro Sekunde (bei 50Hz-Spannung) geladen. Man darf in so einem Fall nicht mit Effektivwerten alleine das System berechnen, sondern man muss auch momentane Amplituden berücksichtigen.

Impulsartige Stromaufnahme hat einen Leistungsfaktor 0,5-0,7, was zu einer hohen Blindleistung führen kann. Wenn man das Ladegerät oder das Lademodul des Wechselrichters vom öffentlichen Stromnetz einspeist, wird es von anderen Stromverbrauchern im öffentlichen Stromnetz ausgeglichen. Anders ist es bei Verwendung von einem Wechselstromgenerator.

Ein Generator und angeschlossene Stromverbraucher bilden ein geschlossenes System, deren Elemente eine Auswirkung auf einander haben und es ist sehr wichtig, dass diese zu einander passen und das System nicht ins Schwingen kommt.

Impulsartige Stromaufnahme führt dazu, dass man im besten Fall nicht mehr als die Hälfte der Generator-Nennleistung nutzen kann und extra Maßnahmen gegen die durch impulsartige Stromabnahme entstandene Oberschwingungen treffen muss um den Stromkreis zu stabilisieren.

In der Praxis führt es öfter zum instabilen Betrieb des Lademoduls und sogar zum Schaden am Generator wie Überhitzte Wicklungen, kaputter Spannungsregler oder Inverter-Modul.

Off-Grid-Wechselrichter schalten die Außenstromquelle in den meisten Fällen durch und belasten diese impulsartig um eigenen PV-Speicher zu laden, was die Spannungsform eines konventionellen Generators soweit verzerren kann, dass diese empfindliche Stromverbraucher beeinträchtigen kann.

Wir empfehlen als externe Wechselstromquelle bei Notstromeinspeisung von Off-Grid-Wechselrichtern Inverter-Generatoren zu verwenden, die ihre Spannungsform viel besser einhalten können, was für empfindliche Stromverbraucher sehr wichtig sein kann.

Variante mit dem Inverter-Generator KS 6000iES ATS der Version 2 wo der MAINS INPUT die 230V überwacht, leitet diese aber im Wartemodus nicht zum Ausgang weiter:

Diese Lösung ist NUR bei Off-Grid PV-Wechselrichtern und Strominseln zu verwenden!

Der Inverter-Generator KS 6000iES ATS der Version 2 springt an sobald der Batteriewächter die vom Ausgang des Wechselrichters abgezweigte 230V-Spannung zum MAINS INPUT des Generators unterbricht und stoppt wenn diese wieder kommt.

Dabei ist zu beachten, dass der Generator die Energie sowohl für zu versorgende Stromverbraucher als auch fürs Laden des Stromspeichers zur Verfügung stellen muss.

Bei Strominsellösungen mit einem Off-Grid-Wechselrichter kann man genauso wie bei Anlagen mit Hybrid-Wechselrichtern den PV-Speicher (DC) durch Wechselstromgenerator + Ladegerät aufladen. So kann auch 3-Phasen-Stromversorgung seitens Wechselrichters weiter laufen.

Variante mit dem Inverter-Generator KS 6000iES ATS der Version 2 wo der MAINS INPUT die 230V überwacht, leitet diese aber im Wartemodus nicht zum Ausgang weiter:

 

Der Batteriespeicher kann auch von einem passenden Gleichstromgenerator direkt geladen werden, wenn dies bei der jeweiligen PV-Anlage technisch möglich ist.

Beispiel der Verwendung des KS 48V-DC bei einer Strominsellösung:

Beispiel der Verwendung des KS 48V-DC mit einem Hybrid-Wechselrichter mit einem 48V-Stromspeicher:

Der Gleichstromgenerator wird direkt an den 48V-Stromspeicher angeschlossen um den direkt zu laden.
Der KS 48V-DC kann entweder selber die Batteriespannung überwachen, oder auch durch potentialfreie Kontakte extern gesteuert werden.

Der Generator startet im AUTO-Modus beim Erreichen vom unteren Spannungswert von 48V, lädt die Batterie mit der Spannung von bis 54V und mit dem Strom von bis zu 70A und geht aus sobald die Spannung 53,5-54V erreicht wird und der Ladestrom unter 20A kommt. Der Generator kann außerdem manuell oder extern durch PF-Kontakte gestartet und gestoppt werden, was unterschiedliche Anwendungen und das Integrieren in vorhandene Anlagen ermöglicht. Der Generator hat keine eigene Batterie und nutzt zum Starten im AUTO- und EXTERN CONTROL - Modus die Energie der zu versorgenden Batterie. Manuelles Starten mit dem Seilzugstarter ist ebenso möglich.

Beispiele der unterstützten 48V-Batteriespeicher:

1. 4 in Reihe geschaltete AGM-Batterien mit dem Spannungsbereich: ca. 48-54V
2. Batterien mit 14 in Reihe geschalteten LiIon-Zellen mit dem Spannungsbereich: ca. 47-56V
3. Batterien mit 16 in Reihe geschalteten LiFePo4-Zellen mit dem Spannungsbereich: ca. 48-54V
4. Batterien mit 15 in Reihe geschalteten LiFePo4-Zellen mit dem Spannungsbereich: ca. 45-51V (EXTERNAL CONTROL – Modus empfohlen).

Je nach Stromspeicher und Wechselrichter ist entweder AUTO- oder EXTERNAL CONTROL – Modus zu verwenden. Die Aufgabe des Generators ist als Reserve-Stromquelle zu dienen und bei Bedarf einige kWh Energie in den Batteriespeicher zu laden, damit die vom Wechselrichter zu versorgende Stromverbraucher auch bei wenig Sonne und auch ohne den Strom vom VNB-Netz (Strominsellösung oder Stromausfall) versorgt bleiben. So läuft der Generator in der Regel ca. 1–2 Stunden und wird ausgeschaltet. Das Haus wird vom Batteriespeicher versorgt, der auch Leistungsspitzen auch beim Lauf des Generators ausgleichen kann.

Ein Haus verbraucht in der Regel nur einige Hundert Watt laufend und nur wenn ein leistungsstarkes Gerät eingeschaltet wird, steigt der Stromverbrauch um einige kW, wobei die Energie in dem Moment kann sowohl vom Generator als auch vom Batteriespeicher kommen weil die beiden parallel laufen. So kann die Stromabnahme für kurze Zeit auch höher als die Leistung des Generators steigen und die Stromversorgung des Hauses wie gewohnt erfolgt.

Der Generator im AUTO-Modus schaltet aus wenn die Stromabnahme unter 20A sinkt. Reaktionszeit ca. 30 Sekunden. Soll die Stromabnahme im Hause laufend über 1 kW sein, empfehlen wir den EXTERNAL CONTROL – Modus zu verwenden, oder den Generator manuell ausschalten.

Dank unterschiedlicher Betriebsmodi, lässt der Generator sich in unterschiedliche Stromversorgungssysteme integrieren.

Ein Gleichstromgenerator ist viel effizienter bezüglich den Kraftstoffverbrauch und ermöglicht eine ununterbrochene Notstromversorgung für mehrere Tage, da der Generator mit Pausen läuft und genug Zeit zum Abkühlen hat.

Der Gleichstromgenerator erfüllt die gleiche Funktion wie ein Solarfeld + Ladekontroller und ist viel effektiver als Kombination „Wechselstromgenerator + Ladegerät“. Der Ladestrom vom Gleichstromgenerator ist nicht Impulsartig (es gibt nur Restwelligkeit) und somit wird bei den gleichen Maxima viel höherer Effektivwert erreicht, was auch sehr wichtig für Batterien und BMS-Kontroller (bei Lithium-Batterien).

Der Gleichstromgenerator hat mehrere Wicklungen und elektronische Regelung, was den Ausgangsstrom wesentlich gleichmäßiger macht. So sieht der Ladestrom (in Grün) einer LiFePo4-Batterie (ein Extremfall) bei 40A und 70A Stromstärke (Effektivwert):

Die Restwelligkeit der Ausgangsspannung des Gleichstromgenerators ist sehr niedrig, was dennoch bei einer LiFePo4-Batterie eine Welligkeit des Ladestroms verursachen kann. Beim Anstieg der Ladestromstärke wächst die Differenz zwischen der eigenen Spannung der Batterie und der Spannung des Generators was zu einer Minderung der Welligkeit des Ladestroms führen kann.

Ein Gleichstromgenerator zum Laden der Batterien ist aus aller Sicht eine gute Lösung und in manchen Fällen gibt es auch keine bessere wenn überhaupt eine Alternative dazu.

Mehrere KS 48-DC können parallel geschaltet werden um die Gesamtleistung zu steigern, oder die Stromversorgung auf längere Zeit zu sichern.

Alle KS 48-DC werden an die 48V-Sammelschiene angeschlossen, an die auch andere Gleichstromquellen, Stromspeicher und Wechselrichter angeschlossen sind.

Man kann je nach benötigter Leistung eine bestimmte Anzahl der Generatoren durch externe Steuerung aktivieren, abwechselnd laufen lassen, etc.

Wenn alle an die 48V-Sammelschiene angeschlossenen Gleichstromgeneratoren sich im AUTO-Modus befinden, startet erst ein Generator, bei dem die Steuerelektronik etwas früher reagiert und die anderen werden erst bei Bedarf gestartet, wenn z.B. die Leistung von dem ersten Generator alleine nicht ausreicht und die Spannung des PV-Speichers weiter sinkt, oder wenn bei dem ersten Generator eine Störung aufgetreten ist. So werden die Gleichstromgeneratoren einander so zu sagen unterstützen um die Spannung auf der 48V-Sammelschiene aufrecht zu erhalten.

Diese Eigenschaft ist sehr wichtig bei Anlagen wo mehrere kW Leistung benötigt werden. Man verwendet einfach mehrere KS 48-DC um den Strombedarf sicher zu decken. Wobei ein Teil der Generatoren kann als Reserve bleiben, falls bei einem der aktiven Gleichstromgeneratoren eine Störung auftritt (z.B. Benzin ist alle).

Hier ist ein Beispiel wie man mehrere KS 48-DC auf einmal verwendet:

Haftungsausschluss:

Diese Anleitung kann nur als eine Empfehlung wahrgenommen werden, ist anschaulich und muss bei der Installation an die genaue Umstände und Bedingungen vor Ort angepasst werden. Die Installation selber soll unter Beachtung von allen Normen und Vorschriften ausgeführt werden. Wir übernehmen keine Verantwortung für die falschen Installationen und deren Folgen.