Der Zweck eines Wechselrichters besteht darin, eine Gleichstromwellenformspannung in ein Wechselstromsignal umzuwandeln, um Strom mit einer bestimmten Frequenz und einem kleinen Phasenwinkel in eine Last (z. B. das Stromnetz) einzuspeisen (φ ≈0).Eine vereinfachte Schaltung für eine einphasige unipolare Pulsweitenmodulation (PWM) ist in Abbildung dargestellt2 (Dasselbe allgemeine Schema kann auf ein Dreiphasensystem erweitert werden).In diesem Schema wird ein PV-System, das als Gleichspannungsquelle mit einer gewissen Quelleninduktivität fungiert, durch vier parallel zu Freilaufdioden geschaltete IGBT-Schalter in ein Wechselstromsignal umgewandelt.Diese Schalter werden am Gate über ein PWM-Signal gesteuert, das normalerweise der Ausgang eines ICs ist, der eine Trägerwelle (normalerweise eine Sinuswelle mit der gewünschten Ausgangsfrequenz) und eine Referenzwelle mit einer deutlich höheren Frequenz (normalerweise eine Dreieckswelle) vergleicht bei 5-20kHz).Der Ausgang der IGBTs wird durch den Einsatz verschiedener Topologien von LC-Filtern in ein Wechselstromsignal umgewandelt, das für die Verwendung oder Netzeinspeisung geeignet ist.
Wechselrichter gehören zu einer großen Gruppe von Stromrichtern, zu denen heute viele gehören's Geräte in der Lage„Konvertieren”elektrische Eingangsparameter wie Spannung und Frequenz, um einen Ausgang zu erzeugen, der mit den Anforderungen der Last kompatibel ist.
Im Allgemeinen sind Wechselrichter Geräte, die Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln können und in industriellen Automatisierungsanwendungen und elektrischen Antrieben weit verbreitet sind.Die Architektur und das Design verschiedener Wechselrichtertypen ändert sich je nach spezifischer Anwendung, auch wenn der Kern ihres Hauptzwecks derselbe ist (Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom).
1. Eigenständige und netzgekoppelte Wechselrichter
Wechselrichter für Photovoltaikanwendungen werden historisch in zwei Hauptkategorien unterteilt:
:Eigenständige Wechselrichter
:Netzgekoppelte Wechselrichter
Eigenständige Wechselrichter sind für Anwendungen gedacht, bei denen die PV-Anlage nicht an das Hauptenergieverteilungsnetz angeschlossen ist.Der Wechselrichter ist in der Lage, die angeschlossenen Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen und so die Stabilität der wichtigsten elektrischen Parameter (Spannung und Frequenz) zu gewährleisten.Dadurch bleiben sie innerhalb vordefinierter Grenzen und können vorübergehenden Überlastungssituationen standhalten.In diesem Fall wird der Wechselrichter mit einem Batteriespeichersystem gekoppelt, um eine gleichmäßige Energieversorgung sicherzustellen.
Netzgekoppelte Wechselrichter hingegen sind in der Lage, sich mit dem Stromnetz, an das sie angeschlossen sind, zu synchronisieren, da Spannung und Frequenz in diesem Fall gleich sind„verhängt”durch das Hauptgitter.Diese Wechselrichter müssen in der Lage sein, sich bei einem Ausfall des Hauptnetzes abzuschalten, um eine mögliche Rückspeisung des Hauptnetzes zu vermeiden, die eine ernsthafte Gefahr darstellen könnte.
- Abbildung 1 – Beispiel eines eigenständigen Systems und eines netzgekoppelten Systems.Bild mit freundlicher Genehmigung von Biblus.
2. Welche Rolle spielt der Buskondensator?
Abbildung 2: Einphasige Pulsweitenmodulation (PWM).Wechselrichter-Setup.Die IGBT-Schalter formen zusammen mit dem LC-Ausgangsfilter das DC-Eingangssignal in ein nutzbares AC-Signal um.Dies induziert eineschädliche Spannungswelligkeit an den PV-Anschlüssen.Der BusDer Kondensator ist so dimensioniert, dass diese Welligkeit reduziert wird.
Durch den Betrieb der IGBTs entsteht eine Welligkeitsspannung am Anschluss des PV-Arrays.Diese Welligkeit ist schädlich für den Betrieb des PV-Systems, da die an die Klemmen angelegte Nennspannung am maximalen Leistungspunkt (MPP) der IV-Kurve gehalten werden sollte, um die meiste Leistung zu extrahieren.Eine Spannungswelligkeit an den PV-Klemmen führt zu Schwankungen der dem System entnommenen Leistung, was zu…
eine geringere durchschnittliche Leistungsabgabe (Abbildung 3).Dem Bus wird ein Kondensator hinzugefügt, um die Spannungswelligkeit zu glätten.
Abbildung 3: Eine durch das PWM-Wechselrichterschema an den PV-Anschlüssen erzeugte Spannungswelligkeit verschiebt die angelegte Spannung vom maximalen Leistungspunkt (MPP) des PV-Arrays.Dies führt zu einer Welligkeit in der Leistungsabgabe des Arrays, sodass die durchschnittliche Ausgangsleistung niedriger als der nominale MPP ist
Die Amplitude (Spitze-zu-Spitze) der Spannungswelligkeit wird durch die Schaltfrequenz, die PV-Spannung, die Buskapazität und die Filterinduktivität bestimmt gemäß:
Wo:
VPV ist die Gleichspannung des Solarpanels,
Cbus ist die Kapazität des Buskondensators,
L ist die Induktivität der Filterinduktivitäten,
fPWM ist die Schaltfrequenz.
Gleichung (1) gilt für einen idealen Kondensator, der beim Laden den Ladungsfluss durch den Kondensator verhindert und anschließend die im elektrischen Feld befindliche Energie widerstandslos entlädt.In Wirklichkeit ist kein Kondensator ideal (Abbildung 4), sondern besteht aus mehreren Elementen.Zusätzlich zur idealen Kapazität weist das Dielektrikum keinen perfekten Widerstand auf und ein kleiner Leckstrom fließt von der Anode zur Kathode entlang eines endlichen Nebenschlusswiderstands (Rsh) und umgeht die dielektrische Kapazität (C).Wenn Strom durch den Kondensator fließt, sind die Stifte, Folien und das Dielektrikum nicht perfekt leitend und es gibt einen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) in Reihe mit der Kapazität.Schließlich speichert der Kondensator tatsächlich etwas Energie im Magnetfeld, sodass in Reihe mit der Kapazität und dem ESR eine äquivalente Serieninduktivität (ESL) liegt.
Abbildung 4: Ersatzschaltbild eines generischen Kondensators.Ein Kondensator istbestehend aus vielen nicht idealen Elementen, einschließlich der dielektrischen Kapazität (C), einem nicht unendlichen Shunt-Widerstand durch das Dielektrikum, der den Kondensator umgeht, Serienwiderstand (ESR) und Serieninduktivität (ESL).
Selbst in einer scheinbar einfachen Komponente wie einem Kondensator gibt es mehrere Elemente, die ausfallen oder sich verschlechtern können.Jedes dieser Elemente kann das Verhalten des Wechselrichters beeinflussen, sowohl auf der AC- als auch auf der DC-Seite.Um die Auswirkung der Verschlechterung nicht idealer Kondensatorkomponenten auf die Spannungswelligkeit an den PV-Anschlüssen zu bestimmen, wurde ein unipolarer PWM-H-Brücken-Wechselrichter (Abbildung 2) mit SPICE simuliert.Die Filterkondensatoren und Induktivitäten werden auf 250 µF bzw. 20 mH gehalten.Die SPICE-Modelle für die IGBTs sind aus der Arbeit von Petrie et al. abgeleitet. Das PWM-Signal, das die IGBT-Schalter steuert, wird durch einen Komparator und eine invertierende Komparatorschaltung für die High- bzw. Low-Side-IGBT-Schalter bestimmt.Der Eingang für die PWM-Steuerungen ist eine Sinus-Trägerwelle mit 9,5 V und 60 Hz und eine Dreieckswelle mit 10 V und 10 kHz.
- CRE-Lösung
CRE ist ein High-Tech-Unternehmen, das sich auf die Herstellung von Folienkondensatoren spezialisiert hat und sich auf die Anwendung von Leistungselektronik konzentriert.
CRE bietet eine ausgereifte Lösung aus Folienkondensatorserien für PV-Wechselrichter, einschließlich DC-Link, AC-Filter und Snubber.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 01.12.2023