Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe. Aufgabe 9

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1 Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe Prof. Dr.-Ing. J. Roth-Stielow Aufgabe 9 Photovoltaik-Wechselrichter mit Leistungsmaximierung In dieser Aufgabe soll die Einspeisung von elektrischer Energie aus Photovoltaikmodulen in das Netz untersucht werden. Eine mögliche einphasige Schaltung ist in Bild 1-A9 dargestellt. Am Eingang der Schaltung sind 16 in Reihe geschaltete Photovoltaikmodule an einen Hochsetzsteller angeschlossen. Dieser Hochsetzsteller sorgt dafür, dass der Photovoltaikstrang immer im Punkt maximaler Leistung betrieben wird und die Zwischenkreisspannung variiert werden kann. An den Zwischenkreis ist ein einphasiger Wechselrichter angeschlossen, welcher ausgangseitig über ein Filter mit dem Netz verbunden ist. Die Ventile des Hochsetzstellers und des Wechselrichters werden pulsweitenmoduliert (PWM) angesteuert. Es soll untersucht werden, wie sich verschieden Ansteuerverfahren auf die Stromschwankungsbreite und auf die Potentialdifferenz U DCPE zwischen negativem Potential des Photovoltaikstranges und dem Schutzleiterpotential (PE) verhält. Bild 1-A9: Systemübersicht Blatt 1

2 Daten: Zwischenkreisspannung U ZK = 350 V Schaltfrequenz des Wechselrichters f PWM = 020 khz = 1/Tp Induktivitäten im Filter L = 001 mh Soll-Leistungsfaktor am Netz cosϕ = 001 Effektivwert der Netzspannung U Netz = 230 V Frequenz der Netzspannung f Netz = 50 Hz u t = 2 U sin 2π f t Zeitlicher Verlauf der Netzspannung () ( ) Bei der Bearbeitung der Aufgabe Netz Netz Netz verhalten sich die eingesetzten Ventile wie die entsprechenden ideale Ventile; darf der Spannungsabfall an den Filterinduktivitäten vernachlässigt werden, u t = u t ; d.h. es gilt stets: WR () () Netz darf die Einstrahlung auf die PV-Module als konstant angenommen werden und darf die Netzspannung und somit auch der Steuerspannungen innerhalb einer PWM- Periode als konstant angenommen werden. Blatt 2

3 Teilaufgaben 9.1 Bestimmen Sie mit der in Bild 2-A9 auf dem Lösungsblatt 1 gegebenen Kennlinie eines PV-Modules bei einer Einstrahlung von 1kW / m den Punkt maximaler Leistung 2 (MPP). Berechnen Sie hierzu für die gegebenen Stützstellen die Leistung P Mod (Tabelle 1) und zeichnen Sie den Verlauf der Leistung P Mod über der Spannung U Mod in die Bild 2-A9 ein. 9.2 Welche maximale Leistung kann dem gesamten PV-Strang entnommen werden? Welche Spannung U Strang und welcher Strom I Strang stellen sich hierbei ein? Wie muss die relative Einschaltdauer τ g des Ventils V HSS im Hochsetzsteller gewählt werden, damit genau dieser Betriebspunkt eingestellt wird? Im Weiteren befindet sich der PV-Strang immer in dem angegebenen Betriebspunkt und der Hochsetzsteller wird stets so betrieben, dass dem PV-Strang die maximale Leistung entnommen wird und die Zwischenkreisspannung konstant ist. 9.3 Berechnen Sie den Effektivwert I Netz und den zeitlichen Verlauf inetz () t der Grundschwingung des Netzstromes. Variante A: Pulsweitenmodulation mit Freilaufzuständen Der Wechselrichter wird über eine Pulsweitenmodulation mit Freilaufzuständen angesteuert. Dafür werden die Schaltbefehle der Ventile V 1 und V 2 durch einen Vergleich der Steuerspannung ust1() t mit dem dreieckförmigen Referenzsignal erzeugt und die Schaltbefehle für die Ventile V 3 und V 4 mit einem Vergleich mit der Steuerspannung ust2 () t. Es gelten folgende Steuergesetze: ust1() t upwm () t : V1 leitet; V2 sperrt ust2 () t upwm () t : V3 leitet; V4 sperrt Für die Verläufe der Steuerspannungen gilt: u st1 unetz () t () t = ; u () t = 1 u () t U ZK Auf dem Lösungsblatt 2 ist das Schaltspiel innerhalb einer Periode des Referenzsignals, für den Wert der Steuerspannung ust1 = 0,5 dargestellt. 9.4 Tragen Sie in das Lösungsblatt 2 auf Blatt 6 die Zustände des Wechselrichters ein, die er innerhalb einer PWM-Periode einnimmt und zeichnen Sie den Verlauf der Spannung uwr () t ein. st2 st1 Blatt 3

4 9.5 Berechnen Sie die mikroskopischen Mittelwerte von u Netz und i Netz. Berechnen Sie allgemein die Stromschwankungsbreite ΔI Netz des Netzstromes innerhalb einer PWM- Periode für den Zustand Speisen in Abhängigkeit der Steuerspannung u st1. Zeichnen Sie den Verlauf des Stromes i Netz () t in das Lösungsblatt 2 auf Seite 6 ein. 9.6 Bestimmen Sie allgemein die Spannung U DCPE für die Zustände, welcher der Wechselrichter bei dem gegeben Schaltspiel einnimmt und zeichnen Sie den Verlauf der Spannung in das Lösungsblatt 2 auf Seite 6 ein. Variante B: Pulsweitenmodulation ohne Freilaufzustände Alternativ kann der Wechselrichter über eine Pulsweitenmodulation ohne Freilaufzustände angesteuert werden. Es gilt folgendes Steuergesetz: () () u t u t : V undv leiten; V undv sperren st PWM Auf dem Lösungsblatt 3 auf Seite 7 ist das Schaltspiel innerhalb einer Periode des Referenzsignals für den Wert der Steuerspannung ust = 0,5 dargestellt. 9.7 Tragen Sie in das Lösungsblatt 3 auf Seite 7 die Zustände des Wechselrichters ein, die er innerhalb einer PWM-Periode einnimmt und zeichnen Sie Verlauf der Spannung uwr () t ein. 9.8 Berechnen Sie allgemein die Stromschwankungsbreite ΔI Netz des Netzstromes innerhalb einer PWM-Periode für den Zustand Speisen. Zeichnen Sie den Verlauf des Stromes i Netz () t in das Lösungsblatt 3 auf Seite 7 ein. 9.9 Bestimmen Sie allgemein die Spannung U DCPE für die Zustände, welcher der Wechselrichter bei dem gegeben Schaltspiel einnimmt und zeichnen Sie den Verlauf der Spannung in das Lösungsblatt 3 auf Seite 7 ein Geben Sie die Vor- und Nachteile der beiden Modulationsverfahren an Wie groß müssen die Induktivitäten des Filters gewählt werden, damit bei der Ansteuerung ohne Freilaufzustände die gleiche maximale Stromschwankungsbreite auftritt wie bei der Ansteuerung mit Freilaufzuständen? Blatt 4

5 Lösungsblatt 1 zu Aufgabe 9.1 Bild 2-A9: Kennlinie eines PV-Moduls Mod [ ] [ A ] [ ] U V , ,5 I Mod P W Mod Tabelle 1-A9: Daten eines PV-Moduls Blatt 5

6 Lösungsblatt 2 zu den Aufgaben 9.4, 9.5 und 9.6 Bild 3-A9 Blatt 6

7 Lösungsblatt 3 zu den Aufgaben 9.7, 9.8 und 9.9 Bild 4-A9 Blatt 7