Nimmt Solarinverter unter die Lupe

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1 PV-Simulator Nimmt Solarinverter unter die Lupe Der Wirkungsgrad moderne Solarzellen ist mit weit unter 20% nicht gerade berauschend, wichtig ist da, dass der zur Netzeinspeisung zugehörige Wechselrichter, auch Solarinverter genannt, die Gesamt-Effizienz einer Photovoltaik-Anlage nicht noch verschlechtert. Mit Photovoltaik-Simulatoren kann man solche Solarinverter auf Herz und Nieren prüfen. Entwickler von Solarinvertern müssen einen Kompromiss finden zwischen dem Wirkungsgrad und der EMV, da Maßnahmen zur Erhöhung der EMV zulasten des Wirkungsgrads gehen. Diese Problematik haben wir im EMV-Sonderheft der elektronik industrie im Februar 2008 ausführlich beschrieben. Was den Wirkungsgrad angeht, muss ein Solarinverter unter Bedingungen getestet werden, die die den tatsächlichen Bedingungen sehr nahe kommen und die reproduzierbar sind. Auf dem Markt werden von einer Reihe von Stromversorgungsherstellern deshalb PV- Simulatoren angeboten, die die Solarzellen und deren Leistungsabgabe über den Tagesverlauf mehr oder weniger gut simulieren und die oft aus getrennt ausgeführten Kombinationen von Steuereinheit und Leistungsteil bestehen. Als eine Einheit bietet Spitzenberger&Spies seinen PV-Simulator PVS-7000 an. Bild 1: PV-Simulator für die Untersuchung an Solargeneratoren nach IEC/EN (Alle Bilder: Spitzenberger&Spies) Anforderungen an PV-Simulatoren Der Solarinverter spielt eine große Rolle für den Gesamtwirkungsgrad einer Photovoltaikanlage. Je besser sich dieser Wechselrichter auf unterschiedliche Bedingungen einstellen kann, desto mehr Energie kann er im Laufe eines Jahres ins Netz einspeisen. Zum Testen eines Solarinverters unter den unterschiedlichen Bedingungen wird er anstelle von einer Solarzelle vom PV-Simulator versorgt. Der PV-Simulator PVS-7000 von Spitzen berger&spies (Bild 1) bildet die Strom/Spannungskennlinien der Solarzelle nach, verhält sich somit genauso wie eine reale Solarzelle. Die Strom/Spannungskennlinien der Solarzellen sind dabei frei konfigurierbar, somit lassen sich unterschiedliche Kennliniencharakteristiken der ver schiedenen Solarzellentechnologien nachbilden. Auch Problem-Kennlinien, die z. B. durch Teilabschattungen entstehen, können mittels PC oder Laptop eingestellt werden. Für einen Prüfablauf können im Kennlinienspeicher des PV-Simulators bis zu 1024 verschiedene Kennlinien für verschiedene Bedingungen wie volle Einstrahlung, Abschattung, Teilabschattung abgelegt, welche dann während des Prüfablaufs zeitlich beliebig aneinandergereiht werden können. Simulationen von praxisgerechten Einstrahlungsverhältnissen, wie 2 elektronik industrie

2 Bild 2: Links im Bild die möglichen Einstellparameter. Bild 4: Im Bereich Timesegments (links im Screenshot) lässt sich die Länge des Zeitabschnittes und die Übergangsdauer einstellen. Bild 3: Simulation einer Teilabschattung. Bild 5: Der blauen Punkt markiert den aktuellen Arbeitspunkt. sie über einen Tag hinweg auftreten, sind somit möglich. Erstellen der Kennlinien Die Software berechnet die Kennlinien nach dem 2-Dioden-Modell. Der Benutzer kann für verschiedene Solarzellentypen die Parameter hinterlegen. Beim Erstellen eines Prüfablaufs kann zwischen den vorher definierter Solarzellentypen ausgewählt und über die Angabe der Anzahl der in Reihe bzw. Parallel geschalteten Solarmodule kann die Kennlinie skaliert werden. Unter Angabe von Einstrahlungsstärke und Temperatur wird dann eine Strom-/ Spannungskennlinie berechnet und es wird jeweils die resultierende Kennlinie in der rechten Fensterhälfte dargestellt (Bild 2). Neben gleichmäßiger Bestrahlung über die ganze Fläche der Solarmodule, kann auch simuliert werden, dass nur Teilflächen abgeschattet sind (Bild 3) Neben gleichmäßiger Bestrahlung über die ganze Fläche der Solarmodule, kann auch simuliert werden, dass nur Teilflächen abgeschattet sind (Bild 3). Definieren des Zeitablaufs Für den Testablauf können mehrere Zeitabschnitte definiert werden (Bild 4). Für jeden Zeitabschnitt lassen sich die Parameter Einstrahlung und Temperatur einstellen. Zudem kann man angeben, wie lange der Zeitabschnitt dauern soll und wie lange die Übergangsdauer zwischen 2 Kennlinien dauern soll. (In der Übergangsdauer wird zwischen den beiden Kennlinien interpoliert und in der geforderten Zeitdauer zwischen den jeweiligen Starten des Prüfablaufs Nachdem ein Prüfablauf konfiguriert wurde, kann er an das Gerät übertragen und die Prüfung gestartet werden. Während der Prüfung wird die jeweilige Kennlinie angezeigt und der aktuelle Arbeitspunkt im Diagramm dargestellt. Zudem kann in einem zweiten Diagramm der zeitliche Verlauf von Spannung, Strom und Leistung dargestellt werden. Messbeispiele Im Folgenden werden anhand von einigen Messbeispielen (Bilder 5 bis 13) die Möglichkeiten des PV-Simulators zur Ermittlung des Arbeitspunktes bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen gezeigt. Nach dem Starten der Prüfung liegt die Leerlaufspannung am Wechselrichter an. Es fließt noch kein Strom. Der aktuelle Arbeitspunkt wird im Diagramm als blauer Punkt dargestellt (Bild 5). Nach einiger Zeit beginnt der Wechselrichter mit dem Einspeisen ins Netz. An der Position des Arbeitspunkt ist erkennbar, dass der Wechselrichter noch nicht im MPP (Maximum Power Point = Punkt der maximalen Leistung P) arbeitet (Bild 6). elektronik industrie

3 Bild 6: Der Wechselrichter arbeitet noch nicht im MPP. Bild 8: Darstellung des Wechsels von Volleinstrahlung auf Bewölkung. Bild 7: Der Arbeitspunkt hat den MPP erreicht. Bild 9: Erreichung des MPPs nach Wechsel von Volleinstrahlung auf Bewölkung. Einige Zeit später hat der hier getestete Wechselrichter den Arbeitspunkt in Richtung MPP verschoben (Bild 7). Im Bild 8 wird ein Wechsel der Sonneneinstrahlung simuliert, wie er z. B. in der Realität auftritt, wenn Wolken vor die Sonne ziehen. Bei diesem einem Wechsel wird gleichmäßig über die konfigurierte Zeitdauer von der Kennlinie bei voller Einstrahlung (obere Kurve) auf die Kennlinie bei Bewölkung überblendet. Gleich nach dem Wechsel arbeitet der Wechselrichter nicht exakt im MPP (Bild 9). In Bild 10 findet ein Wechsel von Bewölkung (untere Kurve) auf volle Einstrahlung (obere Kurve) statt. Im unteren Diagramm in Bild 11 wird der Zeitverlauf von Spannung und Leistung dargestellt. Die dunkelblaue Kurve ist die gemessene Spannung. Man sieht, wie der Wechselrichter nach dem Wechselrichter die Spannung verändert hat, um möglichst viel Leistung ins Netz einspeisen zu können. Der Anpassungsgrad (über die letzten 30 s gemittelt) wird rechts unten im Fenster dargestellt. Er betrug zu diesem Zeitpunkt der Messung 99,8 %. In Bild 12 wird die Kennlinie so verändert, dass sie der Charakteristik bei teilabgeschattetem PV-Generator entspricht. Solch eine Kennlinie tritt dann auf, wenn einige Solarmodule in der Sonne liegen und andere im Schatten. Die Kennliniencharakteristik in Bild 13 deutet auf das Problem hin, das auftritt, wenn es zwei lokale Maxima der Leistung gibt. Regelgeschwindigkeit des PV-Simulators Ein wichtiges Kriterium, welches der PV- Simulator erfüllen muss, damit er ein realistisches Verhalten aufweist, ist dass er schnell auf die programmierte Kennlinie regelt. Es wird der Strom gemessen und die Ausgangsspannung des PV-Simulators entsprechend der programmierten Kennlinie geregelt. Bei plötzlichen Laständerungen am Ausgang des PV-Simulators dauert es eine gewisse Zeit, bis auf den neuen Arbeitspunkt ausgeregelt wird. Für ein realistisches Verhalten des PV-Simulators ist es nötig, dass diese Ausregelzeit möglichst kurz ist. Folgende Messungen (Bilder 14 und 15) zeigen die Ausregelgeschwindigkeiten bei ohmschen Laständerung: Die Ausregelzeiten von typ. weniger als 100 µs sorgen für ein realistisches Verhalten des PV-Simulators. Bei der folgenden Messung (Bild 16) wurde ein Wechselrichter betrieben, welcher einphasig ins Stromnetz einspeist. Auf der Gleichspannungsseite ist ein 100-Hz-Ripple von Spannung und Strom zu erkennen. Dieser entsteht dadurch, dass der Wechselrichter nicht gleichmäßig Leistung ins Stromnetz liefern kann (z. B. im Nulldurchgang der Netzspannung kann gar keine Leistung eingespeist werden), sondern die eingespeiste Leistung mit einer Frequenz von 100 Hz schwankt. 4 elektronik industrie

4 Bild 10: Wechsel von Bewölkung auf Volleinstrahlung. Bild 12:Teilabschattung. Bild 11: Darstellung von Spannungs- und Leistungsverlauf im unteren Fenster. Bild 13: Durch Teilabschattung treten zwei Maxima auf. Man sieht, dass der 100-Hz-Anteil gleichermaßen auf Spannung und Strom zu finden sind. Die 100 Hz Anteile auf Spannung und Strom sind gegenphasig, wie es laut Strom-/Spannungscharakteristik sein muss. Trägt man Strom und Leistung über der Spannung in der XY-Darstellung auf, erkennt man diesen Sachverhalt noch deutlicher. Würde der PV-Simulator seine Ausgangsspannung zu langsam nachregelt, dann würde in dieser Darstellung eine Hysterese sichtbar werden. Bei Arbeitspunktveränderungen des Wechselrichters muss der PV-Simulator möglichst schnell nachregeln damit der Arbeitspunkt auf der eingestellten UI- Kennlinie bleibt. Schnelle Arbeitspunktveränderungen entstehen z. B. durch den typischen 100-Hz-Ripple bei vielen Wechselrichtern, die einphasig ins 50-Hz-Netz einspeisen (Bild 17). Dies wirkt sich bei vielen Wechselrichtern auf den DC-Eingang so aus, dass ein 100-Hz-Ripple auf Eingangsspannung und Eingangsstrom entsteht. Der Wechselrichter arbeitet also nicht auf exakt einer Spannung, sondern der Arbeitspunkt wandert im 100 Hz Rhythmus auf der Kennlinie hin und her (Bild 18). Nun ist es wichtig, dass der PV-Simulator sich hier wie ein echter Solargenerator verhält, also nur Arbeitspunkte auf der UI-Kennlinie zulässt. Dafür ist entscheidend, ob der PV-Simulator mit seiner Regelgeschwindigkeit den 100Hz folgen kann. Der PV-Simulator von Spitzenberger+Spies erfüllt mit typischen Ausregelzeiten von unter 100 µs diese Anforderung. Wäre die Regelgeschwindigkeit nicht schnell genug, so würde wie in Bild 19 gezeigt, der Arbeitspunkt nicht auf der vorgegebenen Kennlinie liegen. DC-Netzteile mit Schalttechnik sind in der Regel nicht schnell genug. Der PV-Simulator von Spitzenberger+Spies ist daher in Lineartechnik aufgebaut und kann so die hohen Anforderungen an die Regelgeschwindigkeit erfüllen (Bild 20). ISET-Institut für Solare Energieversorgungstechnik Auf dem Gebiet der Photovoltaik und Hybridsysteme befasst sich das ISET bzw. der zukünftige Institutsteil Kassel des Fraunhofer IWES vor allem mit FuE-Arbeiten zur Anlagen- und Stromrichtertechnik sowie der Untersuchung und Optimierung der Gesamtsysteme einschließlich ihrer Vernetzung. Dies umfasst die Integration unterschiedlicher Stromerzeuger und Energiespeicher in Hybridsysteme und Netze ebenso wie die Systemauslegung, Regelung und Betriebsführung für Photovoltaik- und Hybridanlagen, Mikro-Netze und große Inselnetze. Weitere Arbeitsschwerpunkte sind Normung und Standardisierung sowie Test- und Prüfverfahren, insbesondere zu EMV, Sicherheit, Kommunikation und Netzschnittstellen. elektronik industrie

5 Bild 14: Laständerungen um MPP. Bild 15: Laständerung von Leerlauf auf MPP. Bild 16: 100Hz Ripple auf Spannung und Strom beim PV-Simulator Bild 17: Wechselrichter speisen annähernd sinusförmigen Strom ins Netz ein. Dadurch pulsiert die eingespeiste Leistung mit 100Hz Um Photovoltaik-Stromrichter in ihrer Funktion, Qualität und ihrem Betriebsverhalten vergleichen zu können, sind einheitliche Begriffsdefinitionen, Qualitätskriterien sowie standardisierte Test- und Prüfverfahren außerordentlich wichtig. Bei der Auswahl geeigneter Stromrichter für Photovoltaikanlagen sind die technischen Angaben auf Datenblättern und Typenschildern wichtige Entscheidungshilfen für Handel, Planer, Handwerk und Kunden. Unter Koordination des ISET in Kassel wurde ein Verbundprojekt gestartet, in dem fast alle deutschen PV-Stromrichterhersteller, ein VDE Prüf- und Zertifizierungsinstitut und ein Hersteller von Prüfsystemen vertreten sind. Die beteiligten Firmen sind Conergy, Delta Energy Systems, Diehl-AKO 6 elektronik industrie

6 Bild 18: Der Arbeitspunkt bewegt sich im 100-Hz-Rhythmus auf der Kennlinie. Bild 19: Die Arbeitspunkte sind hier nicht mehr auf der vorgegebenen Kennlinie. Bild 20: Beim Betrieb mit einem Wechselrichter zeigt sich, dass sich der PV-Simulator praktisch genauso verhält, wie ein realer Solargenerator. PV-Simulator Serie PVS-7000 auf einen Blick Echtzeit-Analyse MPP-Tracking Kennlinienspeicher für UI-Kurven (pro Prüfung) Die Kennlininen können auf verschiedene Einstrahlungswerte online umgerechnet werden (Kennlinie für verschiedene Einstrahlungswerte bei einer Temperatur belegt nur 1 Kennlinienspeicherplatz) Ermittlung statischer und dynamischer Wirkungsgrad Frei programmierbare Kennlinien-Simulation Schnelle Regelgeschwindigkeit von < 100 µs, dadurch realistische Nachbildung eines PV-Generators Voll automatisiert über Software steuerbar Berechnung der Kennlinien nach Ein- oder Zweidiodenmodell, Parameter können frei vorgegeben werden Auch Kennlinien von Teilabschattung können berechnet werden Auch Import von gemessenen Kennlinien möglich Zeitabfolge (der Kennlinien) frei festlegbar Simulation von Tagesverläufen im Sekundenraster (durch Import von Einstrahlungs- und Temperaturverläufen) In Software integrierte Messung von Spannung und Strom während des Prüfablaufs Stiftung, GE Global Research, KACO Gerätetechnik, Pairan Elektronik, SMA Technologie AG, Siemens A&D, Solutronic, Spitzenberger&Spies, Sputnik Engineering, Steca, Sunways, UfE, VDE Prüf- und Zertifizierungsinstitut undwürth Solergy. ISET wird in Diskussion mit diesen Industriepartnern fundierte, d.h. auch im Labor erprobte Prüf- und Testprozeduren entwickeln, die dann im weiteren nationalen und internationalen Standardisierungsprozessen einfließen können. Damit soll das im Juni 2009 auslaufende Projekt OPTINOS, das zu etwa 30 % von den Industriepartnern finanziert wird, einen wesentlichen Beitrag zur Funktions-, Qualitäts- und Leistungssicherung von Photovoltaiksystemen. infodirect Link zu Spitzenberger&Spies 423ei0509 elektronik industrie