Wie MPPT funktioniert: Algorithmen und PWM-Vergleich

MPPT (Maximum Power Point Tracking) ist das elektronische Gehirn in fast jedem modernen Solar-Wechselrichter und Laderegler. Seine Aufgabe ist es, Ihre Module genau bei der Spannung und dem Strom zu betreiben, bei denen sie die meiste Leistung liefern — dem maximalen Leistungspunkt (MPP) — egal wie sich Sonne und Temperatur ändern. Ein gutes MPPT gewinnt 10–30% mehr Energie als die einfacheren PWM-Regler, die es abgelöst hat, und der Abstand wächst bei kaltem Wetter.

Jedes Solarmodul hat eine Strom-Spannungs-Kennlinie (I–V-Kennlinie). Ohne Last liegt das Modul an seiner Leerlaufspannung (Voc) bei null Strom; bei einem vollständigen Kurzschluss treibt es seinen Kurzschlussstrom (Isc) bei null Volt. Leistung ist Spannung mal Strom, also ist die Leistung an beiden Enden null und erreicht an einem Punkt dazwischen ihr Maximum — dem Knick der Kennlinie. Dieser Knick ist der MPP, definiert durch Vmpp und Impp. Bei modernen Modulen mit hohem Füllfaktor liegt Vmpp bei etwa 0,80–0,85 von Voc und Impp bei etwa 0,90–0,95 von Isc — ein reales LONGi LR5-72HBD-555M landet zum Beispiel bei 0,84·Voc und 0,94·Isc.

Der Haken: Der MPP steht nie still. Mehr Sonnenlicht hebt den Strom und schiebt die gesamte Kennlinie nach oben; höhere Temperatur zieht die Spannung nach unten. An einem kalten, hellen Morgen ist Vmpp hoch; an einem heißen Nachmittag sackt er ab. Der Punkt wandert den ganzen Tag, sodass der Regler ihn ständig verfolgen muss — diese Verfolgung ist genau das, was „Tracking“ bedeutet.

Ein MPPT ist keine Zauberei — es ist ein hochfrequent schaltender DC-DC-Wandler, der zwischen den Modulen und der Last sitzt (einer Batterie oder dem internen DC-Zwischenkreis des Wechselrichters). Indem er einen Transistor zehntausende Male pro Sekunde ein- und ausschaltet und das Ergebnis mit einer Spule und einem Kondensator glättet, kann er dem Modul nahezu jede beliebige „effektive Last“ präsentieren. Ändert man diese effektive Last, gleitet der Arbeitspunkt des Moduls entlang seiner I–V-Kennlinie. Der Regler schiebt ihn einfach auf den MPP und hält ihn dort.

Der Anteil jedes Schaltzyklus, in dem der Transistor eingeschaltet bleibt, ist das Tastverhältnis D. Bei einem Abwärtswandler (Buck, Step-Down) ist die Ausgangsspannung das D-fache der Eingangsspannung; bei einem Aufwärtswandler (Boost, Step-Up) ist sie die Eingangsspannung geteilt durch (1 − D). Die meisten Solar-Laderegler sind Abwärtswandler, weil die Modul- oder Strangspannung höher ist als die Batteriespannung — sie tauschen diese überschüssige Spannung gegen zusätzlichen Ladestrom. Die Eingangsleistung entspricht der Ausgangsleistung abzüglich eines kleinen Verlusts: Gute Wandler arbeiten mit 96–99% Wirkungsgrad.

Das Finden des MPP ist eine Regelschleife. Der Regler misst Modulspannung und -strom, multipliziert sie zur Leistung, verstellt das Tastverhältnis ein wenig und misst erneut. Stieg die Leistung, bewegt er sich in dieselbe Richtung weiter; sank sie, kehrt er um. Wiederholen Sie das tausende Male pro Sekunde, und der Arbeitspunkt klettert an die Spitze der Leistungskurve und bleibt dort — genau so, wie man sich im Nebel bergauf tastet, indem man immer in Richtung höher gelegenen Geländes tritt.

Weil er ständig verstellt, steht ein realer Tracker nie ganz still: Er zittert in winzigen Schritten um die Spitze und gibt einen Bruchteil eines Prozents Energie auf, dafür weiß er immer, wo oben ist. Zieht eine Wolke vorbei oder erwärmen sich die Module, verschiebt sich die Spitze, und die Schleife läuft einfach zur neuen. Wie er entscheidet, in welche Richtung er treten soll — und wie schnell — ist die Aufgabe des Tracking-Algorithmus, und genau hier unterscheiden sich die Regler.

Zwei Werte legen die Grenzen des Trackers fest. Die Anlaufspannung ist die Modulspannung, die der Wandler benötigt, bevor er starten kann; darunter schläft der Regler und erzeugt nichts. Das MPPT-Spannungsfenster (ein Minimum und ein Maximum) ist der Bereich, über den er den Punkt tatsächlich halten kann. Fällt die Spannung unter das Minimum, verliert er das Tracking; steigt sie über das Maximum, begrenzt er auf das obere Ende des Fensters — oder riskiert jenseits der absoluten maximalen DC-Spannung einen Schaden. Ihre Anlage innerhalb dieses Fensters zu halten, ist das Herzstück der Strangauslegung.

Stören und Beobachten (P&O) ist das Arbeitspferd der Solarwelt — der Algorithmus in der großen Mehrheit der Strang-Wechselrichter und Laderegler. Es ist die „Bergsteigen-im-Nebel“-Schleife wörtlich umgesetzt: die Spannung um einen kleinen Schritt stören, beobachten, ob die Leistung stieg oder fiel, und den nächsten Schritt aus dem Vorzeichen der Änderung wählen. Keine Moduldaten, keine Kalibrierung, kein Modell — es funktioniert einfach an jeder Anlage.

Seine Schwächen sind der Preis dieser Einfachheit. Um die Spitze herum oszilliert es für immer um eine Schrittweite, sodass Entwickler die stationäre Genauigkeit (kleine Schritte) gegen die Tracking-Geschwindigkeit (große Schritte) abwägen. Und bei schnell wechselndem Licht — Sonne, die durch ziehende Wolken flackert — kann die Leistung zwischen zwei Schritten steigen, weil die Einstrahlung sprang, nicht weil der Schritt richtig war, sodass der Tracker kurz in die falsche Richtung läuft. Versionen mit variabler Schrittweite verringern beide Probleme und sind heute weit verbreitet.

Die inkrementelle Konduktanz (IncCond) ist der schlauere Verwandte von P&O. Statt nur zu beobachten, ob die Leistung stieg oder fiel, nutzt sie eine Tatsache aus der Analysis: An der absoluten Spitze der Leistungskurve ist die Steigung dP/dV exakt null. Erweitert man das — weil Leistung Spannung mal Strom ist — ergibt sich ein klarer Test, den der Regler direkt aus seinen Spannungs- und Stromsensoren auswerten kann: Die inkrementelle Konduktanz dI/dV entspricht dem negativen Wert der momentanen Konduktanz, −I/V.

Dieser Test sagt dem Regler nicht nur, dass er neben der Spitze liegt, sondern auf welcher Seite: links vom MPP ist dI/dV größer als −I/V, rechts davon ist dI/dV kleiner, und wenn beide gleich sind, ist er angekommen und kann das Schrittmachen beenden. Der Gewinn ist weniger stationäre Oszillation und ein spürbar besseres Verhalten, wenn sich die Einstrahlung schnell ändert — auf Kosten von mehr Rechenaufwand und genauerer Strommessung. Viele Premium-Wechselrichter nutzen sie oder eine Mischung aus ihr und P&O.

Nicht jeder Regler betreibt Bergsteigen. Das billigste Verfahren ist die Konstantspannung, auch Bruchteil von Voc (Fractional Open-Circuit Voltage) genannt: Es trennt das Modul kurz, um Voc zu messen, und hält dann die Arbeitsspannung auf einem festen Bruchteil davon — etwa 0,76·Voc, dem typischen Verhältnis von Vmpp zu Voc. Es ist kaum ein Tracker (es ignoriert, wie die reale Spitze driftet), aber es ist nahezu kostenlos und taucht in winzigen Reglern und Niedrigleistungselektronik auf. Ein selteneres Gegenstück, der Bruchteil von Isc (Fractional Short-Circuit Current), setzt den Arbeitsstrom auf rund 0,9·Isc und benötigt eine Möglichkeit, das Modul kurzzeitig kurzzuschließen.

Der wichtige Sonderfall ist die Teilverschattung. Wenn ein Teil eines Strangs verschattet ist, schalten sich die in den Modulen verbauten Bypass-Dioden ein, und die Leistungskurve bildet mehrere Höcker — mehrere lokale Spitzen statt einer einzigen. Ein einfacher Stören-und-Beobachten- oder Inkrementelle-Konduktanz-Tracker kann an einem lokalen Höcker hängenbleiben und einen höheren anderswo auf der Kurve verpassen, wobei still und leise ein Teil der Energie verloren geht.

Um das zu bewältigen, ergänzen moderne Strang-Wechselrichter einen globalen Scan (auch Sweep oder „Verschattungs-Scan“ genannt): Alle paar Minuten fährt der Wechselrichter die Arbeitsspannung über den gesamten Bereich, erfasst die wahre globale Spitze und springt zu ihr — und übergibt dann wieder an die schnelle P&O-/IncCond-Schleife zur Feinverfolgung. Das kostet während des Scans ein paar Sekunden suboptimale Leistung, gewinnt aber bei fleckiger Verschattung weit mehr zurück. Die andere Antwort auf Verschattung ist Hardware: mehr MPPT-Eingänge oder modulnahe Elektronik wie Optimierer und Mikrowechselrichter.

So schneiden die vier Familien ab. Bei den meisten Dachanlagen wählen Sie den Algorithmus nie direkt — er steckt fest in der Firmware des Wechselrichters — aber die Abwägungen zu kennen, sagt Ihnen, worauf Sie auf einem Datenblatt achten sollten (die Wörter, nach denen Sie suchen, sind „globales MPPT“ oder „Verschattungs-Scan“) und warum zwei Wechselrichter mit identischer Nennleistung unterschiedlich viel ernten können.

Ein PWM-Laderegler (Pulsweitenmodulation) ist die alte, einfache Bauart: im Grunde ein schneller Schalter, der das Modul direkt mit der Batterie verbindet und ein- und auspulst, um das Laden zu regeln. Weil das Modul direkt an die Batterie gebunden ist, wird es gezwungen, etwa bei Batteriespannung zu laufen — nicht bei seiner eigenen Vmpp. Das klingt geringfügig, aber auf der I–V-Kennlinie liegt die Batteriespannung meist weit links vom Knick, im flachen Bereich, in dem das Modul noch nahezu vollen Strom liefert, aber bei einer viel niedrigeren Spannung. Leistung ist Spannung mal Strom, also ist die verlorene Spannung verlorene Watt.

Ein MPPT-Laderegler tut, was sein Name sagt: Er betreibt das Modul bei Vmpp und nutzt seinen DC-DC-Wandler, um diese höhere Spannung auf die Batteriespannung herunterzusetzen, wobei die überschüssigen Volt in zusätzliche Ladeampere umgewandelt werden. In der Praxis sind das typischerweise 10–30% mehr geerntete Energie, und der Abstand ist genau dann am größten, wenn er am meisten hilft: bei kaltem Wetter (Vmpp steigt, während die Batteriespannung das nicht tut) und wenn die Vmpp des Moduls deutlich über der Batteriespannung liegt.

Die andere Hälfte der Geschichte ist die Spannungsflexibilität. Ein PWM-Regler benötigt, dass die Nennspannung des Moduls zur Batteriebank passt — ein „12-V“-Modul für eine 12-V-Batterie — weil er nicht umwandeln kann. Ein MPPT-Regler ist mit einer Modul- oder Strangspannung deutlich über der Batterie zufrieden, was es Ihnen erlaubt, Module in Reihe zu verdrahten, eine höhere Spannung bei niedrigerem Strom zu fahren und dünneres, günstigeres Kabel über lange Strecken zu verwenden. Das allein rechtfertigt MPPT bei größeren Anlagen oft, unabhängig vom Ertragsgewinn.

Hier ist die Frage, an der sich viele verheddern: Bringt das Verdrahten von Modulen in Reihe oder parallel das MPPT dazu, mehr Energie zu ernten? Mit einem idealen Tracker und gleichmäßigem Licht lautet die ehrliche Antwort nein — dieselben Module liefern so oder so dieselbe Leistung, weil das MPPT die Spitze findet, unabhängig davon, wie Sie zu dieser Spannung und diesem Strom gekommen sind. Die echten Ertragsunterschiede kommen von drei praktischen Dingen: dem Verbleib innerhalb des MPPT-Spannungsfensters, den Verkabelungsverlusten und dem Verhalten der Verkabelung bei Verschattung.

Das Verdrahten in Reihe addiert die Spannungen, während der Strom dem eines einzelnen Moduls gleich bleibt. Hohe Spannung hält den Strang bequem innerhalb des MPPT-Fensters, und sie erreicht die Anlauf- und Mindestspannung des Reglers früher am Morgen, sodass die Anlage früher aufwacht und später einschläft. Niedrigerer Strom bedeutet außerdem weniger ohmschen Verlust im Kabel und dünneren Draht. Das Risiko liegt am kalten Ende: Am kältesten Morgen kann die Voc des Strangs über das MPPT-Maximum klettern — oder über die absolute maximale DC-Spannung des Wechselrichters, was ein harter Fehler ist, nicht nur verlorene Energie.

Das Verdrahten parallel addiert die Ströme, während die Spannung der eines einzelnen Moduls gleich bleibt. Niedrige Spannung kann ein Problem sein: bei schwachem Morgenlicht oder stark bedecktem Himmel kann sie unter das MPPT-Minimum sacken, und der Regler verliert das Tracking, bis sich das Licht bessert. Hoher Strom bedeutet dickeres Kabel und eine Sicherung in jedem Parallelstrang. Der Vorteil ist die Verschattungstoleranz — ein Schatten auf einem Modul zieht nur seinen eigenen Strang nach unten, nicht die ganze Anlage — und parallel ist die natürliche Wahl für Niederspannungs-Batteriesysteme, bei denen ein PWM-Regler die Modulspannung ohnehin nach unten zwingt.

Nebeneinander gestellt, so wirken sich die beiden Verdrahtungsarten auf die reale Ausbeute in ein MPPT aus:

Genau dafür ist eine Strangauslegungs-Prüfung da. Rechnen Sie mit Ihren Temperaturextremen: Die Vmpp des Strangs am heißesten Tag muss über dem MPPT-Minimum bleiben (fällt sie darunter, fallen die Module aus dem Tracking-Fenster); seine Voc am kältesten Tag muss unter dem MPPT-Maximum und der absoluten maximalen DC-Spannung des Wechselrichters bleiben; und der Gesamtstrom — Isc multipliziert mit der Anzahl der Parallelstränge — muss unter der Stromgrenze des Eingangs bleiben. Unser Rechner prüft all dies für reale Modul- und Wechselrichtermodelle, sodass Sie die Temperaturmathematik nicht von Hand erledigen müssen.

Sie werden fast nie selbst einen MPPT-Algorithmus auswählen — aber Sie bestimmen, ob der Tracker seine Arbeit tun kann. Fünf Regeln decken das Meiste ab:

1. Halten Sie den Strang innerhalb des MPPT-Fensters

   Legen Sie Stränge so aus, dass Vmpp am heißesten Tag über dem MPPT-Minimum bleibt und Voc am kältesten Tag unter dem MPPT-Maximum bleibt. Außerhalb dieses Fensters kann der Tracker die Spitze nicht halten.

2. Überschreiten Sie nie die absolute maximale DC-Spannung

   Die Voc am kalten Morgen ist die Gefahr. Oberhalb der maximalen DC-Spannung des Wechselrichters riskieren Sie einen Schaden, nicht nur verlorene Energie — dies ist die eine harte Grenze, die Sie einhalten müssen.

3. Bevorzugen Sie Reihe für Hochspannungs-MPPT

   Bei netzgekoppelten Anlagen halten längere Reihenstränge die Spannung hoch, wecken den Wechselrichter früher und senken Kabelverluste. Bewahren Sie die Parallelschaltung für Niederspannungs-Batterieaufbauten auf.

4. Beachten Sie die Stromgrenze je Eingang

   Jeder MPPT-Eingang hat seine eigene maximale Stromstärke. Parallelstränge addieren sich — der gesamte Isc muss unter dieser Grenze bleiben, geprüft an einem heißen Tag, wenn der Strom am höchsten ist.

5. Planen Sie für Verschattung

   Wenn Verschattung über die Anlage zieht, wählen Sie einen Wechselrichter mit globalem Scan und legen Sie verschattete Module auf einen eigenen MPPT-Eingang, damit ein Schatten nicht alles nach unten zieht.