Leistungselektronik II

Transkript

1 01 4. Anwendungen für erneuerbare Energien 4.1 Windenergieanlagen (WEA) Aufbau von Windenergieanlagen Generatoren und deren Betrieb Topologien selbstgeführter Gleich- u. 4.2 Photovoltaikanlagen (PVA) Aufbau von Photovoltaikanlagen PV-Generatoren und deren Betrieb für Photovoltaikanlagen 4.3 Netzanbindung Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) Blindleistungs-Beeinflussung

2 Aufbau von Photovoltaikanlagen Bild PV-Kraftwerk (Quelle: SMA)

3 Aufbau von Photovoltaikanlagen Grundelement des PV-Generators PV-Zelle (Solarzelle) großflächige Photodiode I Z I Z /A U Z (a) U-I-Kennlinie abhängig von - Zelltechnologie, Geometrie und Aufbau - Herstellprozess mit seinen Toleranzen - Zustand (Alterung, Degradation) - Bestrahlung und Temperatur U Z /V I Z /A (b) Bild Zell-Kennlinien bei unterschiedlicher... (a)...intensität der Bestrahlung (Temperatur 25 C); (b)...temperatur (Bestrahlung 1000W/m²) (Quelle: G. Schenke, Photovoltaik und Solartechnik) U Z /V

4 Aufbau von Photovoltaikanlagen PV-Modul Reihenschaltung von m PV-Zellen zu einem PV-Modul (übliche Werte m ) PV-Strang ( String ) Reihenschaltung von s PV-Modulen zu einem PV-Strang Bypass-Diode zu jedem PV-Modul zur Vermeidung... - von hoher Verlustleistung in verschatteten Zellen, - eines Leistungseinbruchs, wenn ein Modul im Strang verschattet ist. Bild (a) PV-Modul mit Bypass-Diode (b) Symbol Bild (a) PV-Strang (b) Symbol

5 Aufbau von Photovoltaikanlagen Funktion der Bypass-Dioden Bild Beispiel: String mit 20 Modulen (a) ohne und (b) mit Bypass-Dioden

6 Aufbau von Photovoltaikanlagen PV-Generator Parallelschaltung von g gleichartigen PV-Strängen zu einem PV-Generator. Strang-Dioden zur Vermeidung von hoher Verlustleistung in verschatteten oder defekten Strängen. Strang-Dioden werden oft weggelassen, da Betriebsspannung von PV-Zellen, PV-Modulen und PV-Strängen wenig variiert. Merkmale der PVA Gesamtfläche der PV-Zellen groß (viele m²). PV-Zellen in geerdetem Modulgehäuse montiert. > große Kapazität zwischen PVG und Erde (PE) wirksam. Dünnschicht-PV-Zellen degradieren (z.t. irreversibel), wenn ihr Potential negativ gegenüber PE ist. Bild 6a-4.2 PV-Generator Bild 6b-4.2 PV-Generator: Symbol PVG Daraus resultierende Anforderungen an den PV- hochfrequente Spannungen oder Spannung mit hohem du/dt zwischen PVG und PE sind wegen der resultierenden Ableitströme (Ströme zwischen PVG und PE) unzulässig. Spannung zwischen PVG und PE möglichst positiv. In dieser Vorlesung nicht betrachtet Einrichtungen für Anlagenschutz (Sicherungen, Schalter) Einrichtungen für Personenschutz (z.b. AFI-Schalter) Steuer- und Regeleinrichtungen (z.b. zum MPP-Tracking, zur Netzstromregelung oder zur Einhaltung der Netzanschlussbedingungen)

7 PV-Generatoren und deren Betrieb m MPP- Tracker Potentialtrennung 1 ~ Netz PVA mit Modulwechselrichtern Ein Modulwechselrichter pro PV-Modul mit - Potentialtrennung über HF-Transformator (f PWM > 20 khz), - modulbezogenem MPP-Tracking, - einphasiger Einspeisung in einoder dreiphasiges Netz (Module verteilt auf alle drei Phasen). m 1 ~ Potentialverhältnisse für PV-Module günstig; Erdung des Modul-Minus-Pols möglich. Wirkungsgrad ca.92% wg. Mehrstufigkeit. Spezifische Kosten wg. hohem gerätetechnischem Aufwand. m Bild 7-4.2: 1 ~ PVA mit Modulwechselrichtern

8 PV-Generatoren und deren Betrieb Bild 8-4.2: MPP- Tracker 1 ~ 1 ~ Potentialtrennung MPP-Tracker & MPP-Tracker & PVA mit Strangwechselrichter (drei Ausführungsformen) 1 ~ Potentialtrennung Netz Netz Netz PVA mit Strangwechselrichter strangbezogenes MPP-Tracking. Einphasige Einspeisung in einoder dreiphasiges Netz (ggf. mehrere Stränge verteilt auf alle drei Phasen). Strangwechselrichter mit HF-Transformator Potentialverhältnisse für PV-Module günstig; Erdung des Strang-Minus-Pols möglich. Wirkungsgrad ca. 94%. Spezifische Kosten. Baugröße u. Gewicht. Strangwechselrichter mit Netz-Transformator Potentialverhältnisse für PV-Module günstig; Erdung des Strang-Minus-Pols möglich. Wirkungsgrad ca. 96%. Spezifische Kosten. Baugröße u. Gewicht. Strangwechselrichter ohne Transformator Potentialverhältnisse für PV-Module und Erdung siehe unten. Wirkungsgrad ca. 98%. Spezifische Kosten. Baugröße u. Gewicht.

9 PV-Generatoren und deren Betrieb PVA mit Multistrangwechselrichter (mit/ohne Netztransformator) MPP- Tracker strangbezogenes MPP-Tracking mit vorgeschalteten potentialverbindenden Gleichstromstellern (üblich: Hochsetzsteller). dadurch Wirkungsgrad. bei Bedarf: Potentialtrennung 1 ~ Netz Bild 9-4.2: PVA mit Multistrangwechselrichter

10 PV-Generatoren und deren Betrieb PVA mit Multistrangwechselrichter (mit HF-Transformator) MPP- Tracker Potentialtrennung strangbezogenes MPP-Tracking mit vorgeschalteten potentialtrennenden Gleichstromstellern (üblich: Durchflusswandler oder Resonanzwandler). dadurch Wirkungsgrad. 1 ~ Netz Bild : PVA mit Multistrangwechselrichter

11 PV-Generatoren und deren Betrieb MPP-Tracker & bei Bedarf: Potentialtrennung PVA mit Zentralwechselrichter (mit/ohne Netztransformator) PVG 3 ~ PE Netz Einfachste Ausführung für große Anlagen. MPP- Tracker PVA mit Zentralwechselrichter mit Multi-MPP-Tracker (mit/ohne Netztransformator) bei Bedarf: Potentialtrennung Strangbezogenes MPP-Tracking mit vorgeschalteten potentialverbindenden Gleichstromstellern (üblich: Hochsetzsteller). dadurch Wirkungsgrad. Bild : 3 ~ Netz PE PVA mit Zentralwechselrichter (zwei Ausführungsformen)

12 PV-Generatoren und deren Betrieb PV-Kraftwerk mit mehreren Zentralwechselrichtern MPP-Tracker & Mittelspannungstransformator Einfachste Ausführung für sehr große Anlagen. PVG 3 ~ PE PVG 3 ~ Mittelspannungsnetz Bild : PV-Kraftwerk

13 für Photovoltaikanlagen Einphasige PV- in Halbbrückenschaltung (a) Netz mit (Stern-) Spannung U N (b) Netz mit (Stern-) Spannung U N Bild : Einphasige PV- in Halbbrückenschaltung; a) 2-Level; b) 3-Level-NPC

14 für Photovoltaikanlagen 5-Level-Schaltung: Netz mit (Stern-) Spannung U N Bild : Einphasiger PV- in Halbbrückenschaltung (5-Level; REFU)

15 für Photovoltaikanlagen Einphasige PV- in Vollbrückenschaltung i N L N L N Bild : Einphasiger PV- in H5 -Vollbrückenschaltung (SMA) Netz mit (Stern-) Spannung U N

16 für Photovoltaikanlagen i N L N L N Bild : Einphasiger PV- in HERIC -Vollbrückenschaltung (SUNWAYS) Netz mit (Stern-) Spannung U N

17 für Photovoltaikanlagen Dreiphasige PV- Bild : Dreiphasiger PV- in Halbbrückenschaltung (3-Level-NPC)