PV-Überschusssteuerung: Hysterese, Zeitglieder und Schaltschwellen für Verbraucher

Eine Überschusssteuerung fängt als eine Zeile an: Wenn der Überschuss zweitausend Watt übersteigt, schalte den Heizstab ein. Sie ist richtig, sie ist naheliegend, und sie erzeugt ein Relais, das alle zehn Sekunden klickt, bis etwas nachgibt.

Der Grund steht im Satz selbst. Die Last verbraucht genau den Überschuss, der sie erlaubt hat, also ist die Bedingung, die sie eingeschaltet hat, eine Messung später falsch. Alles Weitere handelt davon, dass ein Regelkreis dieselbe Zahl nicht als Auslöser und als Folge verwenden kann, ohne zu sagen, wie weit beide auseinanderliegen dürfen.

Die Rückkopplung, die niemand einplant

Ein Zwei-Kilowatt-Heizstab, bei 2200 W Überschuss eingeschaltet, lässt 200 W übrig. Die Automatisierung liest 200 W, findet den Wert unter der Schwelle und schaltet ab. Der Überschuss kehrt auf 2200 W zurück, die Bedingung trifft wieder zu, und das Spiel wiederholt sich, solange die Sonne hält. Kaputt ist dabei nichts; die Regel stellt bloß eine Frage, deren Antwort sie durch das Fragen ändert.

Teuer wird es über die Stückzahl. Ein für 100 000 mechanische Schaltungen ausgelegtes Schütz klingt großzügig, bis der Regelkreis alle paar Sekunden eine erzeugt – in der Größenordnung der oberen Tafel ist es nach gut zwei Monaten aufgebraucht, und ein verschweißter Kontakt versagt als Last, die die ganze Nacht durchläuft.

Zwei Schwellen statt einer

Die Hysterese trennt Einschaltpunkt und Abschaltpunkt so weit, dass der Eigenverbrauch der Last dazwischenpasst. Die Einschaltschwelle ist die Last plus eine Reserve; die Abschaltschwelle ist nicht dieselbe Zahl, sondern ein kleiner Netzbezug – das einzige ehrliche Zeichen dafür, dass der Überschuss wirklich aufgebraucht ist.

ein   Überschuss ≥ Last + Reserve      seit ≥ 3 min
aus   Bezug       ≥ 200 W               seit ≥ 5 min
      und Laufzeit ≥ 15 min

2000-W-Heizstab, Reserve 200 W
  ein bei einem Überschuss von 2200 W
  nach dem Einschalten: 2400 − 2000 = 400 W Überschuss  → kein Abschaltgrund
  ohne Hysterese: 400 W < 2200 W                       → sofort wieder aus

Der Abstand zwischen beiden Schwellen muss mindestens die Nennleistung der Last betragen. Alles Engere führt dazu, dass der Eigenverbrauch die Abschaltschwelle wieder unterschreitet – dieselbe Schwingung, nur mit mehr Rechnerei davor.

Drei Zeiten, drei verschiedene Aufgaben

Dass die beiden Verzögerungen nicht gleich lang sind, hat einen Grund. Zu spätes Einschalten kostet ein paar Minuten Einspeisung zum Einspeisetarif, zu spätes Abschalten ein paar Minuten Bezug zum Arbeitspreis – und der ist das Drei- bis Vierfache. Wenn eine der beiden nachgeben muss, dann die Abschaltverzögerung.

Die Mindestlaufzeit ist die Größe, die am ehesten wegbleibt, und die für alles mit Verdichter wichtigste. Eine Wärmepumpe oder eine kühlschrankartige Last bezahlt jeden Start mit Verschleiß und einem Anlaufstrom, und die Hysterese allein hindert eine Regel nicht daran, sie an einem Tag mit aufgerissener Wolkendecke viermal je Stunde zu starten.

Welche Zahl überhaupt gemessen wird

Überschuss ist eine Eigenschaft des Netzanschlusses und nicht des Dachs. Zu lesen ist der Zähler am Hausanschluss, mit Vorzeichen: negativ bei Einspeisung, positiv bei Bezug – oder zwei getrennte Werte, von denen nie beide gleichzeitig etwas anzeigen. Alles, was allein aus der Wechselrichterleistung abgeleitet ist, sieht den Hausverbrauch darunter nicht und schaltet eine Last in eine laufende Spülmaschine hinein.

Zwei Feinheiten entscheiden, wie brauchbar dieser Messwert ist. Zählerschnittstellen melden in ihrem eigenen Takt – zwischen zwei und dreißig Sekunden -, und eine Regel, die schneller abfragt, als der Zähler meldet, vergleicht einen frischen Wert mit einem alten. Und eine kurze Mittelung ist hier mehr wert als Genauigkeit: Ein Fünf-Sekunden-Mittel der Netzleistung taugt weit besser als ein Augenblickswert, in dem hauptsächlich ein Wasserkocher steckt.

Was die Batterie dazwischenschiebt

Mit einer Batterie im Haus ist der Überschuss am Zähler das, was nach dem Laden übrig bleibt – Batterie und geschaltete Last streiten also um dieselben Watt, und es gewinnt, wen die Regeln zuerst loslassen. Bekommt die Batterie den Vorrang, läuft der Heizstab nie; bekommt ihn der Heizstab, ist die Batterie vor dem Abend nicht voll.

Die Anordnung, die einen Winter übersteht, setzt eine Ladestandsbedingung über die Leistungsbedingung: Die Last darf erst oberhalb eines bestimmten Ladestands laufen, die Batterie bekommt den Vormittag und die Last die Mittagszeit. Diese eine Zusatzbedingung verhindert nebenbei den Fall, den niemand bemerkt – eine Last, die vergnügt Überschuss verbraucht, den die Batterie längst gespeichert hatte, und ihn mit zehn bis fünfzehn Prozent Umlaufverlust wieder entlädt, ohne dass jemand etwas davon hat.

Modulierende Lasten haben keine Schwelle

Eine Wallbox schaltet nicht, sie regelt – allerdings nur innerhalb von Grenzen, und die untere macht daraus wieder ein Schaltproblem. Sechs Ampere sind der kleinste Ladestrom, also rund 1,4 kW einphasig und 4,1 kW dreiphasig, und darunter lädt ein Auto nicht langsam, sondern gar nicht.

Die Einschaltschwelle einer dreiphasigen Wallbox liegt damit bei 4,1 kW Überschuss und nicht bei null, und alles zwischen null und diesem Wert ist ein Bereich, in dem es nur einphasig oder gar nicht gibt. Der Wechsel zwischen einer und drei Phasen ist selbst ein Lastsprung von fast drei Kilowatt und braucht eine eigene Hysterese und eine eigene Mindestlaufzeit – dieselben drei Größen wie beim Heizstab, angewandt auf eine Entscheidung, die aussieht wie ein stufenloser Regler und keiner ist.