Die Aufgabe eines Wechselrichters besteht darin, eine Gleichspannung in ein Wechselspannungssignal umzuwandeln, um Leistung mit einer bestimmten Frequenz und einem kleinen Phasenwinkel in einen Verbraucher (z. B. das Stromnetz) einzuspeisen.φ ≈0). In Abbildung 1 ist ein vereinfachter Schaltkreis für eine einphasige unipolare Pulsweitenmodulation (PWM) dargestellt.2 (Das gleiche allgemeine Schema lässt sich auf ein Dreiphasensystem erweitern.) In diesem Schaltplan wird ein PV-System, das als Gleichspannungsquelle mit einer gewissen Quellinduktivität fungiert, durch vier parallelgeschaltete IGBT-Schalter mit Freilaufdioden in ein Wechselstromsignal umgewandelt. Die Schalter werden am Gate über ein PWM-Signal angesteuert, das typischerweise vom Ausgang eines ICs stammt. Dieser vergleicht eine Trägerwelle (üblicherweise eine Sinuswelle mit der gewünschten Ausgangsfrequenz) mit einer Referenzwelle deutlich höherer Frequenz (typischerweise eine Dreieckswelle mit 5–20 kHz). Das Ausgangssignal der IGBTs wird durch den Einsatz verschiedener LC-Filtertopologien in ein für die Netzeinspeisung geeignetes Wechselstromsignal umgewandelt.
Wechselrichter gehören zu einer großen Gruppe statischer Wandler, zu denen viele der heutigen's Geräte, die dazu in der Lage sind„konvertieren„elektrische Eingangsparameter wie Spannung und Frequenz, um eine Ausgangsleistung zu erzeugen, die mit den Anforderungen der Last kompatibel ist.
Wechselrichter sind im Allgemeinen Geräte, die Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln und in der industriellen Automatisierung sowie in elektrischen Antrieben weit verbreitet sind. Architektur und Design der verschiedenen Wechselrichtertypen variieren je nach Anwendung, auch wenn ihr Hauptzweck – die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom – derselbe ist.
1. Insel- und netzgekoppelte Wechselrichter
Die in Photovoltaikanwendungen eingesetzten Wechselrichter werden traditionell in zwei Hauptkategorien unterteilt:
:Standalone-Wechselrichter
:Netzgekoppelte Wechselrichter
Inselwechselrichter eignen sich für Anwendungen, bei denen die PV-Anlage nicht an das öffentliche Stromnetz angeschlossen ist. Der Wechselrichter versorgt die angeschlossenen Verbraucher mit elektrischer Energie und gewährleistet die Stabilität der wichtigsten elektrischen Parameter (Spannung und Frequenz). Dadurch bleiben diese innerhalb vordefinierter Grenzen und der Wechselrichter kann kurzzeitige Überlastungen bewältigen. In diesem Fall wird der Wechselrichter mit einem Batteriespeichersystem gekoppelt, um eine unterbrechungsfreie Energieversorgung sicherzustellen.
Netzgekoppelte Wechselrichter hingegen können sich mit dem Stromnetz synchronisieren, an das sie angeschlossen sind, da in diesem Fall Spannung und Frequenz synchronisiert werden.„auferlegt„Diese Wechselrichter müssen sich bei einem Ausfall des Hauptnetzes vom Stromnetz abkoppeln können, um eine mögliche Rückspeisung in das Hauptnetz zu verhindern, die eine ernsthafte Gefahr darstellen könnte.
- Abbildung 1 – Beispiel eines Inselsystems und eines netzgekoppelten Systems. Bild mit freundlicher Genehmigung von Biblus.
2. Welche Rolle spielt der Buskondensator?
Abbildung 2: Pulsweitenmodulation (PWM) einphasigWechselrichteraufbau. Die IGBT-Schalter formen zusammen mit dem LC-Ausgangsfilter das Gleichstrom-Eingangssignal in ein nutzbares Wechselstromsignal. Dies induziert eineschädliche Spannungswelligkeit an den PV-Anschlüssen. Der BusDer Kondensator ist so dimensioniert, dass diese Restwelligkeit reduziert wird.
Der Betrieb der IGBTs erzeugt eine Restwelligkeit an den Anschlüssen des PV-Generators. Diese Restwelligkeit beeinträchtigt den Betrieb des PV-Systems, da die Nennspannung an den Anschlüssen am Punkt maximaler Leistung (MPP) der IV-Kennlinie liegen sollte, um die maximale Leistung zu gewinnen. Eine Restwelligkeit an den PV-Anschlüssen führt zu Schwankungen der vom System entnommenen Leistung.
eine geringere durchschnittliche Ausgangsleistung (Abbildung 3). Um die Spannungswelligkeit zu glätten, wird ein Kondensator in den Bus eingefügt.
Abbildung 3: Die durch den PWM-Wechselrichter erzeugte Spannungsripple an den PV-Anschlüssen verschiebt die angelegte Spannung vom maximalen Leistungspunkt (MPP) des PV-Generators. Dies führt zu einer Restwelligkeit in der Ausgangsleistung des Generators, sodass die mittlere Ausgangsleistung unter dem nominalen MPP liegt.
Die Amplitude (Spitze-Spitze) der Spannungswelligkeit wird durch die Schaltfrequenz, die PV-Spannung, die Buskapazität und die Filterinduktivität gemäß folgender Formel bestimmt:
Wo:
VPV ist die Gleichspannung des Solarmoduls.
Cbus ist die Kapazität des Buskondensators.
L ist die Induktivität der Filterinduktivitäten,
fPWM ist die Schaltfrequenz.
Gleichung (1) gilt für einen idealen Kondensator, der während des Ladevorgangs keinen Ladungsfluss durch den Kondensator bewirkt und die im elektrischen Feld gespeicherte Energie widerstandslos entlädt. In der Realität ist kein Kondensator ideal (Abbildung 4), sondern besteht aus mehreren Elementen. Zusätzlich zur idealen Kapazität ist das Dielektrikum nicht perfekt ohmsch, und ein kleiner Leckstrom fließt von der Anode zur Kathode entlang eines endlichen Shuntwiderstands (Rsh) und umgeht dabei die dielektrische Kapazität (C). Wenn Strom durch den Kondensator fließt, leiten die Kontakte, Folien und das Dielektrikum nicht perfekt, und es entsteht ein äquivalenter Serienwiderstand (ESR) in Reihe mit der Kapazität. Schließlich speichert der Kondensator auch Energie im Magnetfeld, sodass eine äquivalente Serieninduktivität (ESL) in Reihe mit der Kapazität und dem ESR entsteht.
Abbildung 4: Ersatzschaltbild eines generischen Kondensators. Ein Kondensator istzusammengesetzt aus vielen nicht idealen Elementen, darunter dielektrische Kapazität (C), ein nicht unendlicher Shuntwiderstand durch das Dielektrikum, der den Kondensator umgeht, Serienwiderstand (ESR) und Serieninduktivität (ESL).
Selbst in einem scheinbar einfachen Bauteil wie einem Kondensator können mehrere Elemente ausfallen oder sich verschlechtern. Jedes dieser Elemente kann das Verhalten des Wechselrichters sowohl auf der AC- als auch auf der DC-Seite beeinflussen. Um den Einfluss der Degradation nicht-idealer Kondensatorkomponenten auf die an den PV-Anschlüssen entstehende Spannungswelligkeit zu bestimmen, wurde ein unipolarer PWM-H-Brücken-Wechselrichter (Abbildung 2) mit SPICE simuliert. Die Filterkondensatoren und -induktivitäten sind auf 250 µF bzw. 20 mH ausgelegt. Die SPICE-Modelle für die IGBTs basieren auf der Arbeit von Petrie et al. Das PWM-Signal zur Ansteuerung der IGBT-Schalter wird durch einen Komparator bzw. einen invertierenden Komparator für die High- und Low-Side-IGBT-Schalter erzeugt. Die Eingangssignale für die PWM-Ansteuerung sind eine 9,5-V-Sinuswelle mit 60 Hz und eine 10-V-Dreieckswelle mit 10 kHz.
- CRE-Lösung
CRE ist ein Hightech-Unternehmen, das sich auf die Herstellung von Folienkondensatoren spezialisiert hat und sich auf deren Anwendung in der Leistungselektronik konzentriert.
CRE bietet die ausgereifte Lösung der Folienkondensatorserie für PV-Wechselrichter an, die DC-Zwischenkreis, AC-Filter und Snubber umfasst.
Veröffentlichungsdatum: 01.12.2023