Resultate von ersten Tests von 100kW-Wechselrichtern mit dem neuen Solargenerator-Simulator von 100 kw

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1 24. Symposium Photovoltaische Solarenergie Staffelstein 29 H. Häberlin u.a.: Resultate von ersten Tests von 1kW-Wechselrichtern mit dem neuen Solargenerator-Simulator von 1kW Resultate von ersten Tests von 1kW-Wechselrichtern mit dem neuen Solargenerator-Simulator von 1 kw Heinrich Häberlin, Luciano Borgna, Urs Zwahlen und Daniel Gfeller Berner Fachhochschule (BFH), Technik und Informatik, Labor für Photovoltaik Jlcoweg 1, CH-34 Burgdorf / SCHWEIZ Tel: , Fax: heinrich.haeberlin@bfh.ch Internet: Einführung Das Photovoltaiklabor der Berner Fachhochschule in Burgdorf führt seit 1989 Tests von Wechselrichtern für netzgekoppelte PV-Anlagen für Leistungen bis 25 kw durch. Bei allen Wechselrichtern wurden DC-AC-Umwandlungswirkungsgrad, Oberschwingungsströme, EMV-Verhalten, Selbstlauf, Rundsteuersignal-Empfindlichkeit, Einschaltleistung, Nennspannungsbereich und Betrieb bei Leistungsüberangebot untersucht. Nachdem in den letzten Jahren der Umwandlungs-Wirkungsgrad DC-AC von Photovoltaik-Wechselrichtern gegenüber früher deutlich verbessert werden konnte, treten für eine weitere Optimierung der Geräte neue, bisher noch nicht genügend untersuchte Aspekte in den Vordergrund (z.b. Optimierung der Anpassung an den Punkt maximaler Leistung (MPP) von Solargeneratoren auch bei schwankender Sonneneinstrahlung oder die Spannungsabhängigkeit des Wirkungsgrades bei Geräten mit weitem Eingangsspannungsbereich). Die im Jahre 25 von uns eingeführte Grösse "Gesamtwirkungsgrad" oder "totaler Wirkungsgrad" η tot eignet sich sehr gut zur ganzheitlichen Beschreibung des Verhaltens von Wechselrichtern und wird zunehmend auch von anderen Institutionen und von der Fachpresse (z.b. Photon) verwendet. Zur Messung des MPP-Verhaltens und des Gesamtwirkungsgrades sind computergesteuerte Solargenerator-Simulatoren und wesentlich kompliziertere Testverfahren notwendig als für die einfache Messung des DC-AC Umwandlungswirkungsgrades. Durch derartige Optimierung von Wechselrichtern ist es möglich, aus vorhandenen Solargeneratoren noch mehr Nutzenergie herauszuholen, d.h. den Nutzungsgrad von PV-Anlagen weiter zu steigern und damit zur Kostensenkung beizutragen. Von 2 bis 24 wurden am PV-Labor zwei solche hochstabile computergesteuerte Solargenerator-Simulatoren von 2 kw (U OC 81V, I SC 3A) und 25 kw (U OC 75V, I SC 4A) entwickelt, die unabhängig vom Wetter eine halbautomatische Durchführung von solchen Wechelrichtertests ermöglichen [1], [2], [3], [4]. Wegen der notwendigen sehr hohen Stabilität sind solche hochpräzisen Messungen des MPP-Tracking- Wirkungsgrades resp. -Anpassungsgrades an realen PV-Generatoren nicht möglich. Da 1 kw in vielen Ländern eine wichtige Leistungsgrenze ist und deshalb viele Anlagen mit 1 kw-wechselrichtern ausgerüstet werden, erhielt unser Labor vom BFE im Rahmen eines neuen Projektes den Auftrag, einen entsprechenden hochstabilen Simulator für vollautomatische Wechselrichter-Tests von Geräten bis 1 kw zu 1

2 24. Symposium Photovoltaische Solarenergie Staffelstein 29 H. Häberlin u.a.: Resultate von ersten Tests von 1kW-Wechselrichtern mit dem neuen Solargenerator-Simulator von 1kW entwickeln. Gleichzeitig soll die Steuersoftware so ausgebaut werden, dass statt wie bisher nur halbautomatische neu auch vollautomatische Tests auf vielen verschiedenen MPP-Spannungsstufen und dynamische MPP-Tracking-Tests mit verschiedenen Rampen möglich werden. Entwicklung des neuen Solargenerator-Simulators von 1 kw Bereits im Juli 28 konnte die Hardware und eine elementare Steuersoftware dieses Gerätes in Betrieb genommen werden. Es ist aus 156 linearen steuerbaren Stromquellen von 1 A aufgebaut und erreicht bei höheren Füllfaktoren > 8 85% die geforderte Leistung von 1 kw (U OC 81 V, I SC 156 A). Dieses Gerät ist gegenwärtig wahrscheinlich der leistungsfähigste Solargenerator-Simulator in Europa und möglicherweise sogar auf der ganzen Welt. Bild 1: Frontansicht des realisierten Solargenerator- Simulators mit P max 1 kw mit U OC 81 V und I SC 156 A. Bild 2: Detailansicht der Frontplatte des neuen PC steuerbaren PV-Generator-Simulators von 1 kw (während Messung der PV- Generator-Kennlinie nach Bild 4). Bild 1 zeigt eine Frontansicht des realisierten Gerätes und Bild 2 eine Detailansicht der Frontplatte bei aktivem Gerät. Bild 3 zeigt eine gemessene Kennlinie dieses Gerätes bei voller Leistung und Bild 4 eine Kennlinie mit vollem Kurzschlussstrom. Stabilität und Rauschverhalten des Gerätes scheinen nach ersten Messungen hervorragend zu sein. Beispielsweise wurde im MPP der Kennlinie von Bild 3 mit einem I MPP von etwa 149 A ein Rauschen von nur etwa 5 ma peak gemessen. Dank des linearen Aufbaus ist das dynamische Regelverhalten ausgezeichnet. Um die Endstufen nicht zu überlasten, wird bei Kennlinien mit Leerlaufspannungen über 25 V bei hohen Strömen und kleinen Spannungen der Strom reduziert (siehe Bild 3). Da die 2

3 24. Symposium Photovoltaische Solarenergie Staffelstein 29 H. Häberlin u.a.: Resultate von ersten Tests von 1kW-Wechselrichtern mit dem neuen Solargenerator-Simulator von 1kW Wechselrichter normalerweise im Bereich des MPP arbeiten, hat dies aber keine Auswirkungen auf die Wechselrichtertests. Power P [kw] I-V- and P-V-Diagram of BFH-TI's PV Array Simulator (FF 8%) P = f(v) Pmpp I = f(v) P MPP = 1.57 kw Current I [A] Power P [kw] I-V- and P-V-Diagram of BFH-TI's PV Array Simulator (FF 8%) P = f(v) Pmpp I = f(v) P MPP = kw Current I [A] No reduction of current at low voltages! Voltage V [V] PV laboratory of BFH-TI, Burgdorf Bild 3: Kennlinie des 1 kw-solargenerator-simulators bei Volllast an einer Kennlinie mit einem relativ hohen Füllfaktor von 8% (P MPP 1,6 kw, U MPP 676 V). Nach ersten Messungen ist die Kennlinie sehr stabil Voltage V [V] PV laboratory of BFH-TI, Burgdorf Bild 4: Kennlinie des 1 kw-solargenerator- Simulators mit vollem spezifizierten Kurzschluss-Nennstrom von 156 A auf einer Kennlinie mit relativ hohem Füllfaktor von 8%. (P MPP 25 kw, U MPP 168 V). Bis Anfang Dezember 28 war die Inbetriebnahme sehr weit fortgeschritten. Mit einem angeschlossenen Wechselrichter war während einiger Minuten ein Betrieb auf P MPP = 9,7 kw möglich (Bild 5). Die erzeugte Kennlinie, ihre Stabilität und die Messgenauigkeit bei den MPP-Tracking Messungen sind hervorragend. Bild 6 zeigt die Umgebung des MPP in Bild 5 in sehr starker Dehnung. Solargenerator-Simulator 1 kw: Testbetrieb bei 9,7 kw mit U MPP = 681V P DC [kw] 4 2 P DC [W] DC-Arbeitspunkte Solargenerator-Kennlinie Belastung mit 1kW-Wechselrichter Gemessener η MPPT = 99,97% U DC [V] Solargenerator-Simulator 1kW: Testbetrieb bei 9,7 kw mit U MPP = 681V DC-Arbeitspunkte Solargenerator-Kennlinie Belastung mit 1kW-Wechselrichter Gemessener η MPPT = 99,97% U DC [V] Bild 5: Testbetrieb des 1 kw- PV-Generator-Simulators Anfang Dezember 28. Der angeschlossene Wechselrichter (Solarmax 1C) arbeitet exakt im MPP mit P MPP = 9,7 kw. Der gemessene MPP- Tracking-Wirkungsgrad ist mit η MPPT = 99,97% hervorragend. Bild 6: Umgebung des MPP (gedehnt) beim Testbetrieb des 1 kw- PV- Generator-Simulators nach Bild 5. Die im Betrieb gemessenen Arbeitspunkte des Wechselrichters liegen exakt auf der vorher gemessenen P-U- Kennlinie. 3

4 24. Symposium Photovoltaische Solarenergie Staffelstein 29 H. Häberlin u.a.: Resultate von ersten Tests von 1kW-Wechselrichtern mit dem neuen Solargenerator-Simulator von 1kW Erste Tests mit einem Wechselrichter Solarmax 1C (1kW) Mit dem neuen Simulator konnte bei einem Solarmax 1C auf drei verschiedenen DC- Spannungen im zunächst halbautomatischen Betrieb die statischen Werte für den Umwandlungswirkungsgrad, den MPP-Tracking-Wirkungsgrad und den Gesamtwirkungsgrad η tot bis zu einer maximalen Leistung von 9 kw resp. einem maximalen MPP-Strom von 148 A aufgenommen werden (siehe Bilder 7, 8 und 9). Allerdings erwies sich der Antriebsmotor des kleineren DC-Generators für einen längeren Betrieb auf der Generator-Nenneistung als zu schwach. Mit einem stärkeren Antriebsmotor wird das Problem aber behoben und der PV-Generator-Simulator auf der vollen projektierten Nennleistung P MPP = 1 kw betrieben werden können. η [%] SolarMax 1C: Umwandlungs-Wirkungsgrade η (P DC /P DCn ) Wirkungsgrad; Umpp = 44 V Wirkungsgrad; Umpp = 56 V Wirkungsgrad; Umpp = 68 V P DC / P DCn P DCn = 15 kw PV-Simulator 1kW, Kennlinie: FF = 8% ηmppt [%] SolarMax 1C: MPPT-Wirkungsgrade η MPPT (P MPP /P DCn ) Trackingwirkungsgrad; Umpp = 44 V Trackingwirkungsgrad; Umpp = 56 V Trackingwirkungsgrad; Umpp = 68 V P MPP / P DCn P DCn = 15 kw PV-Simulator 1kW, Kennlinie: FF = 8% Bild 7: Gemessener Umwandlungs-Wirkungsgrad eines Solarmax 1C (1 kw) bei Betrieb mit dem PV-Generator- Simulator. Die Abhängigkeit von der DC-Spannung ist relativ gering. Wegen der momentanen Leistungsbegrenzung auf gut 9 kw war die Nennleistung nicht ganz erreichbar. Bild 8: Gemessener MPPT- Tracking-Wirkungsgrad η MPPT eines Solarmax 1C (1 kw) bei Betrieb mit dem PV- Generator-Simulator. Die Kurven sind stark gedehnt. Nur bei kleinen Leistungen im Bereich von einigen Prozent von P DCn treten leichte MPPT- Probleme auf (wie bei vielen anderen Geräten). Bei kleinen Leistungen im Bereich von einigen Prozent von P DCn treten im statischen Betrieb leichte MPPT-Probleme auf, die davon herrühren, dass das Gerät im Abstand von etwa 6 Minuten kurz einen MPP-Suchprozess in grösserer Entfernung vom bisherigen Arbeitspunkt unternimmt. Dadurch geht etwas Energie verloren und der gemessene Wert von η MPPT wird geringfügig reduziert (siehe Bild 1). Je nach der Dauer des zur Bestimmung von η MPPT verwendeten Messintervalls T M (z.b. 1 1 Minuten, siehe [2], [3]) kommen darin, 1, oder sogar 2 solche Weitabsuchvorgänge vor (abhängig vom Stand der inneren Uhr des Gerätes zu Beginn der Messperiode). Deshalb sind die gemessenen Werte von η MPPT bei diesen 4

5 24. Symposium Photovoltaische Solarenergie Staffelstein 29 H. Häberlin u.a.: Resultate von ersten Tests von 1kW-Wechselrichtern mit dem neuen Solargenerator-Simulator von 1kW Leistungen etwas von T M abhängig und nicht genau reproduzierbar. Je grösser T M, desto näher liegen die gemessenen Werte beieinander und desto weniger streuen sie. ηtot [%] SolarMax 1C: Gesamt-Wirkungsgrade η tot (P MPP /P DCn ) tot. Wirkungsgrad; Umpp = 44 V 88 tot. Wirkungsgrad; Umpp = 56 V 87 tot. Wirkungsgrad; Umpp = 68 V P MPP / P DCn P DCn = 15 kw PV-Simulator 1kW, Kennlinie: FF = 8% P DC [W] SolarMax 1C: DC-Arbeitspunkte bei U MPP = 44 V Zeit [s] T M = - 6 s: η MPPT = 98,71% PV-Simulator 1kW, Kennlinie: FF = 8% T 1 T 2 P-DC U-DC T M = T 1 : η MPPT = 99,85% T M = T 2 : η MPPT = 96,51% U DC [V] Bild 9: Gemessener totaler oder Gesamt-Wirkungsgrad η tot eines Solarmax 1C (1 kw) bei Betrieb mit dem PV- Generator-Simulator. Dank dem guten MPPT- Tracking ist der Gesamtwirkungsgrad η tot praktisch gleich wie der Umwandlungswirkungsgrad η. Bild 1: Zeitlicher Verlauf von P DC und U DC beim Betrieb des Wechselrichters bei P MPP 2,65 kw. Im Abstand von etwa 6 Minuten sucht das Gerät nicht nur unmittelbar um den MPP, sondern in einem weiteren Umkreis. Da die Wechselrichter-Nennleistung im gegenwärtigen Zustand des PV-Generator- Simulators wegen der Beschränkung auf I MPP ca. 148 A und P DC ca. 92 kw (nur momentan wegen der etwas zu schwachen Antriebsmaschine) auf keiner der drei gemessenen Spannungsstufen erreichbar war, kann auf Grund der momentan vorliegenden Messwerte für η, η MPPT und η tot noch kein mit den Gewichtungsfaktoren des Euro-Wirkungsgrades gemittelter Wert angegeben werden. Literatur [1] H. Haeberlin and L. Borgna: "A new Approach for Semi-Automated Measurement of PV Inverters, especially MPP Tracking Efficiency, using a Linear PV Array Simulator with High Stability". 19 th EU PV Conf., Paris, 24. [2] H. Häberlin, L. Borgna, M. Kämpfer und U. Zwahlen: "Totaler Wirkungsgrad ein neuer Begriff zur besseren Charakterisierung von Netzverbund-Wechselrichtern". 2. Symp. PV-Solarenergie, Staffelstein, 25. [3] H. Häberlin, M. Kämpfer und U. Zwahlen: "Neue Tests an Photovoltaik-Wechselrichtern: Gesamtübersicht über Testergebnisse und gemessene totale Wirkungsgrade". 21. Symp. PV- Solarenergie, Staffelstein, 26. [4] H. Häberlin, M. Kämpfer und U. Zwahlen: "Messung des dynamischen Maximum-Power-Point- Trackings bei Netzverbund-Wechselrichtern". 21. Symp. PV-Solarenergie, Staffelstein, 26. [5] H. Häberlin: "Bau eines Solargenerator-Simulators von 1 kw". 23. Symp. PV-Solarenergie, Staffelstein, 28. Informationen über weitere Aktivitäten des Photovoltaik-Labors der BFH in Burgdorf und viele weitere Publikationen (teilweise online) sind unter zu finden. 5

6 24. Symposium Photovoltaische Solarenergie Staffelstein 29 H. Häberlin u.a.: Resultate von ersten Tests von 1kW-Wechselrichtern mit dem neuen Solargenerator-Simulator von 1kW Introduction Results of first Tests at a PV-Inverter of 1 kw with the new PV Array Simulator of 1 kw H. Haeberlin et al., BFH-TI Burgdorf, PV Laboratory, CH-34 Burgdorf/Switzerland For tests of PV inverters, PV array simulators are very useful tools. Therefore the PV laboratory of the University of Applied Sciences (BFH) in Burgdorf has developed two linear PV generator simulators up to 25 kw with high stability and fast transient response between 2 and 24. With these devices, which are controlled by computers, it is possible to perform semi-automated tests of PV inverters including the measurement of MPP-tracking efficiency [1]. From these measurements, the total or overall efficiency can be calculated, which allows a much better assessment of inverter performance than conversion efficiency alone [2]. So far many inverter tests have been performed with this equipment. In 27, development of a large PV array simulator with P MPP 1 kw, V OC 81 V and I SC 156 A was started [3]. By December 28, this new PV array simulator was operational with P MPP 92 kw, V OC 81 V and I SC 156 A. I-V-curves with the full rated power P MPP = 1 kw could be measured as planned. However, due to a somewhat too weak AC induction motor driving the smaller of the two DC generators used to power the PV array simulator, prolonged operation with an inverter load was possible only up to P MPP 92 kw. As the DC generator concerned has a somewhat higher rated power than the motor used at present, with a stronger AC induction motor (already ordered) operation with full rated power of P MMP = 1 kw should be possible. With this PV array simulator, semi-automated measurements of conversion efficiency η, MPP-Tracking efficiency η MPPT and total efficiency η tot could be performed at a 1kWinverter Solarmax 1C at MPP-voltages of U MPP = 44 V, 56 V and 68 V up to P MPP 92 kw. First results of these tests are also shown in this paper. With this new PV array simulator, the PV laboratory of BFH-TI can now test also inverters up to 1 kw. As 1 kw is an important power limit in many countries, it would be highly desirable to perform detailed inverter tests for inverters up to this power level, too, which would also allow to determine MPP-tracking behavior and total efficiency η tot as it is currently done for smaller devices. References in English: [1] H. Haeberlin and L. Borgna: "A new Approach for Semi-Automated Measurements of PV Inverters, especially MPP Tracking Efficiency, using a Linear PV Array Simulator with High Stability". 19 th EU PV Conf., Paris, 24. [2] H. Häberlin, L. Borgna, M. Kämpfer, U. Zwahlen: "Total Efficiency η tot A new Quantity for better Characterisation of Grid-Connected PV Inverters". 2 th EU PV Conf., Barcelona, Spain, June 25. [3] H. Häberlin, L. Borgna, D. Gfeller, P. Schärf, U.Zwahlen: "Development of a fully Automated PV Array Simulator of 1 kw". 23 rd European Photovoltaic Solar Energy Conf./ Valencia, Spain, Sept. 28. Further information about the research activities of the PV laboratory of BFH on the internet: 6