Hocheffiziente Wechselrichter zur Einspeisung regenerativer Energie

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1 Hocheffiziente Wechselrichter zur Einspeisung regenerativer Energie Anforderungen, Schaltungen, Entwicklungstendenzen Dr.-Ing. Bruno Burger Fraunhofer-Institut für ISE Seminar ECPE, ETG, FhG-IISB Energieeinsparung und rationelle Energienutzung durch Leistungselektronik Erlangen, den 13. Oktober 2005 Dr.-Ing. Bruno Burger Fraunhofer-Institut für Heidenhofstraße 2 D Freiburg Tel Fax: bruno.burger@ise.fraunhofer.de

2 Allgemeine Anforderungen Hocheffiziente Wechselrichter hoher Wirkungsgrad, besonders im Teillastbereich hohe Zuverlässigkeit Wartungsfreundlichkeit Geräuscharmut geringes Gewicht elektromagnetische Verträglichkeit (EMV, CE) Benutzerfreundlichkeit Schnittstellen, Auswertesoftware Preiswert + - ~ PE N L1

3 Eingangsseitige Anforderungen gute Anpassung an Solargenerator bei variabler Solargeneratorspannung Maximum Power Point Tracking (MPPT) oder Konstantspannungsregelung geringer Spannungsripple auf der Solargeneratorspannung Überspannungsfestigkeit bei Leerlauf und tiefen Temperaturen Überlastfähigkeit definierte Begrenzung der Eingangsleistung bei Erreichen der max. Kühlkörpertemperatur niedrige und stabile Ein- und Ausschaltschwellen Schutz gegen transiente Überspannungen + - ~ PE N L1

4 Ausgangsseitige Anforderungen möglichst sinusförmiger Ausgangsstrom (Stromquelle) geringer Oberschwingungsgehalt im Strom (Normen: VDE0838, EN60555) Strom in Phase zur Spannung, Leistungsfaktor cos ϕ = 1 schnelle Abschaltung bei Netzfehlern (Spannung, Frequenz, Impedanz) Schutz gegen transiente Überspannungen Einhaltung aller relevanten Normen + PE - ~ N L1

5 Schaltungskonzepte Hocheffiziente Wechselrichter Netzwechselrichter nicht potentialgetrennt potentialgetrennt direkt Steller 50 Hz Transformator HF-Transformator Thyristorbrücke PWM Brücke Hochsetzsteller + Brücke Tiefsetzsteller + Umklapper WR- Brücke Tiefsetzsteller + Umklapper DC/DC + Brücke Sperrwandler + Umklapper

6 Gegentaktverstärker Hocheffiziente Wechselrichter 400V T1 200V C1 0V T2 T ms 4ms 8ms 12ms 16ms 20ms + wenige Komponenten + kostengünstig - theoretischer Wirkungsgrad maximal 78,5 % - Solargenerator nicht potentialfrei - klein Schutz vor Überspannungen Beim Gegentaktverstärker fällt die Differenz zwischen DC-Spannung und AC- Spannung (schraffierte Fläche) an den Transistoren ab. Deshalb sind in der Praxis nur Wirkungsgrade von ungefähr 70% erreichbar.

7 Thyristorwechselrichter, einphasig 50 Hz + wenige Komponenten + kostengünstig, zuverlässig + max. Wirkungsgrad 94% - 97% - eingeschränkter Spannungsbereich - Solargenerator nicht potentialfrei - Stromoberschwingungen - kleiner Wirkungsgrad im Teillastbereich Thyristorwechselrichter haben einen eingeprägten Strom in der Drosselspule auf der DC-Seite. Die Thyristoren schalten diesen eingeprägten Strom auf die AC-Seite. Zur Filterung des Stroms ist ein kapazitives Filter notwendig. Solar Konzept: SKN SKN 1060

8 Thyristorwechselrichter, einphasig Simulation eines einphasigen Thyristorwechselrichters. Oben: Netzspannung Mitte: Netzstrom Unten: Strom in der Drosselspule

9 Thyristorwechselrichter, einphasig

10 Thyristorwechselrichter, dreiphasig 50 Hz + wenige Komponenten + kostengünstig, zuverlässig + max. Wirkungsgrad 94% - 97% - eingeschränkter Spannungsbereich - Solargenerator nicht potentialfrei - Stromoberschwingungen - kleiner Wirkungsgrad im Teillastbereich ACE: ACE ACE 5001 Solar Konzept: SKN SKN 411

11 Thyristorwechselrichter, dreiphasig

12 Funktionsprinzip eines getakteten Wechselrichters S1 S3 L1 C1 L2 S2 S4 u Netz i Soll u Netz : Netzspannung i Soll : Sollwert des Netzstroms

13 symmetrische Taktung Hocheffiziente Wechselrichter i Soll Taktfrequenz 1 khz u S1 S3 L1 S 1,4 C1 L2 S 2,3 S2 S4 u Netz u Br i Soll i Ist i Soll : Sollwert des Netzstroms u : Dreieckspannung (Taktfrequenz) S 1,4 : Schaltsignal für die Transistoren 1 und 4 S 2,3 : Schaltsignal für die Transistoren 2 und 3 u Netz : Netzspannung u Br : geschaltete Ausgangsspannung der Transistorbrücke i Ist : Momentanwert des Drosselstroms

14 symmetrische Taktung Hocheffiziente Wechselrichter i Soll Taktfrequenz 2 khz u S1 S3 L1 S 1,4 C1 L2 S 2,3 S2 S4 u Netz u Br i Soll i Ist i Soll : Sollwert des Netzstroms u : Dreieckspannung (Taktfrequenz) S 1,4 : Schaltsignal für die Transistoren 1 und 4 S 2,3 : Schaltsignal für die Transistoren 2 und 3 u Netz : Netzspannung u Br : geschaltete Ausgangsspannung der Transistorbrücke i Ist : Momentanwert des Drosselstroms

15 symmetrische Taktung Hocheffiziente Wechselrichter i Soll Taktfrequenz 4 khz u S1 S3 L1 S 1,4 C1 L2 S 2,3 S2 S4 u Netz u Br i Soll i Ist i Soll : Sollwert des Netzstroms u : Dreieckspannung (Taktfrequenz) S 1,4 : Schaltsignal für die Transistoren 1 und 4 S 2,3 : Schaltsignal für die Transistoren 2 und 3 u Netz : Netzspannung u Br : geschaltete Ausgangsspannung der Transistorbrücke i Ist : Momentanwert des Drosselstroms

16 symmetrische Taktung Hocheffiziente Wechselrichter i Soll Taktfrequenz 8 khz u S1 S3 L1 S 1,4 C1 L2 S 2,3 S2 S4 u Netz u Br i Soll i Ist i Soll : Sollwert des Netzstroms u : Dreieckspannung (Taktfrequenz) S 1,4 : Schaltsignal für die Transistoren 1 und 4 S 2,3 : Schaltsignal für die Transistoren 2 und 3 u Netz : Netzspannung u Br : geschaltete Ausgangsspannung der Transistorbrücke i Ist : Momentanwert des Drosselstroms

17 symmetrische Taktung Hocheffiziente Wechselrichter i Soll Taktfrequenz 16 khz u S1 S3 L1 S 1,4 C1 L2 S 2,3 S2 S4 u Netz u Br i Soll i Ist i Soll : Sollwert des Netzstroms u : Dreieckspannung (Taktfrequenz) S 1,4 : Schaltsignal für die Transistoren 1 und 4 S 2,3 : Schaltsignal für die Transistoren 2 und 3 u Netz : Netzspannung u Br : geschaltete Ausgangsspannung der Transistorbrücke i Ist : Momentanwert des Drosselstroms

18 Einphasiger Wechselrichter mit 50 Hz Trafo 16 khz S1 S3 L1 C1 S2 S4 + Solargenerator potentialfrei + großer Spannungsbereich + EMV - Verluste des Transformators - Gewicht - Wirkungsgrad ca. 91% - 94% ASP: Top Class Grid Dorfmüller: DMI DMI 700 Fronius: Sunrise micro - maxi G&H: SB SB 2500 SMA: Sunny Boys 700; 850; 1100E; 1100LV; 1700E; 2500; 2800; 3000 Sun Power: SP ; SunProfi Sunways: NT 1800 UfE: NEG 4 Würth: WE 500

19 Einphasiger Wechselrichter mit 50 Hz Trafo Ungefähre Dimension des Netztransformators

20 Dreiphasiger Wechselrichter mit 50 Hz Transformator S1 S3 S5 L1 Tr 3~ C1 S2 S4 S6 L3 + Solargenerator potentialfrei + zuverlässig + hohe Leistungen + Wirkungsgrad 94% - 97% - Verluste des Transformators - Gewicht Exendis: Gridfit Siemens: SINVERTsolar SMA: Sunny Central Sputnik: Solar Max

21 Dreiphasiger Wechselrichter mit 50 Hz Transformator

22 Wechselrichter mit HF-Transformator 16 khz 16 khz L1 S1 S3 Tr1 D1 D3 S5 S7 L2 C1 C2 L3 S2 S4 D2 D4 S6 S8 + Solargenerator potentialfrei + großer Spannungsbereich + geringes Gewicht - Verluste des HF - Transformators - Wirkungsgrad ca. 93% - 95% - großer Bauteileaufwand - bedeutende Gewichtsersparnis: ein 2,5 kw Gerät wiegt nur 9 kg (im Vergleich zu ca. 30 kg bei NF Trafo) -spezielles Schaltverfahren (Phase-Shift Verfahren) für die DC Vollbrücke Fronius: IG15 - IG60

23 Wechselrichter mit HF-Transformator

24 Wechselrichter mit HF-Transformator (Flyback) 16 khz Tr1 D1 50 Hz S1 S3 C1 C2 S0 S2 S4 + Solargenerator potentialfrei + großer Spannungsbereich + geringes Gewicht - Verluste des HF - Transformators - aufwändiges Filter - Wirkungsgrad ca. 92% - 94% -Flybackwandler -Primäre Sinusmodulation mit Transistor S0 -Vollbrücke nur zur Polaritätsumschaltung Mastervolt: - Soladin Sunmaster QS Sunmaster QS Sunmaster QS Sunmaster QS 5000

25 Wechselrichter mit HF-Transformator (Flyback)

26 Trafoloser Wechselrichter, direkteinspeisend 16 khz S1 S3 L1 C1 L2 S2 S4 + wenige Komponenten + kostengünstig, zuverlässig + Wirkungsgrad 95% - 97% - Solargeneratorspannung > 360 V - Solargenerator nicht potentialfrei - EMV abhängig von Taktungsart Kaco: PVI 2600; PVI 5000 Solar-Fabrik: convert 4000 Sputnik: Solar Max 4000 Sunways: 2.02; 3.02; 5.02 Würth: WE 5000

27 Trafoloser Wechselrichter, direkteinspeisend

28 Trafoloser Wechselrichter mit Hochsetzsteller, Spannungszwischenkreis L1 16 khz 16 khz D1 S1 S3 L2 C1 S0 C2 L3 S2 S4 + großer Spannungsbereich + zuverlässig + Wirkungsgrad ca. 94% - 95% - Solargenerator nicht potentialfrei - zusätzliche Bauelemente - Regelung komplexer SMA: Sunny Boy 2100TL Solar-Fabrik: convert 2000 Sputnik: Solar Max 2000; Solar Max 3000

29 Trafoloser Wechselrichter mit Hochsetzsteller, Spannungszwischenkreis

30 Dreiphasiger trafoloser Wechselrichter mit Hochsetzsteller, Spannungszwischenkreis L0 16 khz 16 khz D1 C2 S1 S3 S5 L1 C1 S0 C3 S2 S4 S6 L3 3x 1x + dreiphasige Einspeisung + großer Spannungsbereich + zuverlässig + Wirkungsgrad ca. 94% - 95% - Solargenerator nicht potentialfrei - zusätzliche Bauelemente - Regelung komplexer - Drei Eingänge mit separatem Hochsetzsteller und MPP-Regler Solar-Fabrik: convert 6TL

31 Dreiphasiger trafoloser Wechselrichter mit Hochsetzsteller, Spannungszwischenkreis

32 Symmetrische Taktung Hocheffiziente Wechselrichter i Soll S1 S3 L1 u C1 L2 S2 S4 S 1,4 S 2,3 u Netz u Br i Soll i Ist Sunways: NT 2600, NT 4000, NT 6000

33 Trafoloser Wechselrichter, HERIC-Konzept i Soll L1 S1 S3 S5 D2 u C1 S2 S4 D1 S6 S 1,S 4 L2 S 2,S 3 _ S 5,S 6 drei Schaltzustände reduzierter Ripple hoher Wirkungsgrad gutes EMV-Verhalten u Netz u Br i Soll i Ist Sunways: NT 2600, NT 4000, NT 6000

34 Trafoloser Wechselrichter, HERIC-Konzept 16 khz 50 Hz L1 S1 S3 S5 D2 C1 S2 S4 D1 S6 L2 + kostengünstig, zuverlässig + Wirkungsgrad bis 97% + gutes EMV-Verhalten - Solargeneratorspannung > 360 V - Solargenerator nicht potentialfrei - zusätzliche Bauelemente Sunways: NT 2600, NT 4000, NT 6000

35 Meßergebnisse 20 khz, V in = 360 V, V out = 230 V V in = 360 V, V out = 230 V, P out = 1100 W APT35GP120B2D efficiency / % HERIC, 1200V IGBT Symmetrisch, 1200V IGBT efficiency / % HERIC, 600V IGBT HERIC, 1200V IGBT Symmetrisch, 1200V IGBT output power P O /P N / (%) switching frequency / (khz)

36 Trafoloser Wechselrichter, HERIC-Konzept

37 Trafoloser Wechselrichter mit Hochsetzsteller, einphasige Dreipunktschaltung L0 16 khz 16 khz D0 C0 S0 C1 D1 S1 S2 L1 C2 D2 S3 S4 + großer Spannungsbereich 3x 1x + zuverlässig + Wirkungsgrad ca. 94% - 96% + festes Solargeneratorpotential - großer Bauteileaufwand - hohe interne Spannung SMA: SB 4200TL Multi-String SB 5000TL Multi-String

38 Trafoloser Wechselrichter mit Hochsetzsteller, einphasige Dreipunktschaltung

39 Trafoloser Wechselrichter mit Hochsetzsteller, dreiphasige Dreipunktschaltung L0 16 khz 16 khz D0 C0 S0 C1 C2 S1 S5 S9 D1 D3 D5 S2 S6 S10 D2 S3 D4 S7 D6 S11 L1 L2 L3 S4 S8 S12 + großer Spannungsbereich + zuverlässig + Wirkungsgrad ca. 95% - 97% + festes Solargeneratorpotential - großer Bauteileaufwand - hohe interne Spannung

40 Entwicklungstendenzen Hocheffiziente Wechselrichter höhere Leistungen höhere Taktfrequenzen Konzepte mit Hochfrequenztransformator aktive Kühlung aktive Filterung, Power Quality komplett digitale Regelung intelligenteres MPP-Tracking (Teilabschattung, lokale Maxima) Diagnosefunktionen, Ertragskontrolle leistungsfähigere Schnittstellen modulintegrierte Wechselrichter Wechselrichter für Einzelzellen

41 zusätzlicher Entwicklungsbedarf höhere Zuverlässigkeit, längere Lebensdauer Fernwartung, Ferndiagnose geringeres Gewicht höherer Wirkungsgrad, höhere Anlagenerträge geringerer Preis neue Schaltungskonzepte spezielle Normen für PV-Wechselrichter genormte Schnittstellen