Neue trafolose Wechselrichter-Topologie für Dünnschicht-Technologien 1. Einleitung Christian Buchholz, Thomas Hauser, Marco Schilli Sunways AG Macairestrasse 3-5 78467 Konstanz Tel.: +49 (7531) 99677-211 christian.buchholz@sunways.de www.sunways.de Bisher werden Dünnschicht-Module selten an trafolose Wechselrichter angeschlossen. Grund ist die allgemeine Verunsicherung, ob diese beiden Technologien miteinander kompatibel sind. Technisch gesehen existieren dafür zwei Anhaltspunkte: Es gibt Anzeichen dafür, dass negative Spannungen der Solarzellen gegenüber Erdpotenzial einen Degradationseffekt bei Dünnschichtmodulen erzeugen können [1]. Weiterhin können an Modulen mit metallischen Rückseiten erhöhte Ableitströme auftreten und damit die einschlägigen Sicherheitsnormen überschritten werden [2]. Die Vorteile trafoloser Wechselrichter-Topologien mit ihren potentiell höheren Wirkungsgraden bleiben somit bisher der sich verbreitenden Dünnschichttechnologie vorenthalten. Wünschenswert wäre deshalb eine Technologie, bei der an den Solargeneratoranschlüssen keine negativen Spannungen oder Wechselspannungen gegenüber Erdpotenzial auftreten, die eine zusätzliche Erdung des Minuspols überflüssig macht und möglichst an die hohen Wirkungsgrade trafoloser Wechselrichtertopologien heranreicht. Damit würden potenzielle Schädigung von Dünnschichtmodulen sowie Ableitströme gegenüber Erdpotenzial vermieden. Am Markt verfügbare Wechselrichtertechnologien, die explizit für den Einsatz mit Dünnschichtmodulen beworben werden, können mindestens eine der oben genannten Forderungen nicht erfüllen. 1
In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE entwickelte die Firma Sunways AG eine Schaltung, welche die oben genannten Anforderungen erfüllt. 2. Problemstellung Im Rahmen der Staffelstein-Beiträge Gefährdungspotenzial transformatorloser Wechselrichter Fakten und Gerüchte [2], Welcher Wechselrichter für welche Modultechnologie? [1] und Neue Topologie minimiert betriebsbedingte Ableitströme trafoloser Wechselrichter [3] wurde die Thematik der unterschiedlichen Potenzialverläufe des Solargenerators bei verschiedenen marktüblichen Wechselrichtertopologien und die daraus resultierenden Effekte ausgiebig dargestellt. Abb. 1: Definition der Potenzialverläufe am Wechselrichtereingang In den oben genannten Beiträgen wurden die am Markt verfügbaren Wechselrichtertopologien in unterschiedliche Klassen aufgeteilt. 2
a) Wechselrichter mit Transformator Bei diesen Geräten ist der Solargenerator prinzipiell frei floatend gegenüber Erdpotenzial. Jedoch kann entweder durch interne oder externe Widerstände ( Zusatzkit ) die Solargeneratorspannung sowohl symmetrisch als auch unsymmetrisch zum Erdpotenzial aufgeteilt werden. nur geringe Ableitströme kein Potenzialunterschied zwischen negativem Solargeneratorpol und Erde (bei geerdetem Minuspol) vergleichsweise niedriger Wirkungsgrad Erdung des Minuspols meist über externes Zusatzgerät notwendig Abb. 2: Trafo-Wechselrichter ohne Erdung Abb. 3: Trafo-Wechselrichter mit geerdetem Minuspol 3
b) Trafolose Wechselrichter mit Hochsetzsteller und geteiltem Spannungszwischenkreis Bei Wechselrichtern dieser Topologie teilt sich die Solargeneratorspannung symmetrisch oder unsymmetrisch zum Erdpotenzial auf. Zusätzlich kann ein Spannungsripple mit 100 Hz und kleiner Amplitude überlagert sein. nur geringe Ableitströme hoher Wirkungsgrad Potenzialdifferenz zwischen negativem Solargeneratorpol und Erde Abb. 4: Trafolose Wechselrichter mit unsymmetrischem Hochsetzsteller (z.b. Quiet-Rail-Konzept ) Abb. 5: Trafolose Wechselrichter mit symmetrischem Hochsetzsteller (z.b. Balanced Mode Technology ) 4
c) Trafolose Wechselrichter mit Hochsetzsteller Bei Wechselrichtern dieser Topologie teilt sich die Solargeneratorspannung unsymmetrisch zum Erdpotenzial auf. Zusätzlich ist ein Spannungsripple mit 50 Hz und halber Netzspannung überlagert. hoher Wirkungsgrad Ableitströme möglich Abb. 6: trafolose Wechselrichter mit Hochsetzsteller Potenzialdifferenz zwischen negativem Solargeneratorpol und Erde d) Trafolose Wechselrichter ohne Hochsetzsteller (Direkteinspeiser) Bei Wechselrichtern dieser Topologie (z.b. HERIC, H5) teilt sich die Solargeneratorspannung symmetrisch zum Erdpotenzial auf. Zusätzlich ist ein Spannungsripple mit 50 Hz und halber Netzspannung überlagert. Da diese Konzepte auf nur einer Umwandlungsstufe beruhen, sind sehr hohe Wirkungsgrade möglich. Abb. 7: trafolose Wechselrichter ohne Hochsetzsteller sehr hoher Wirkungsgrad Ableitströme möglich Potenzialdifferenz zwischen negativem Solargeneratorpol und Erde 5
e) Trafolose Wechselrichter mit einpolig geerdetem Solargenerator Bei Wechselrichtern dieser Topologie (z.b. Flying Inductor ) ist ein Anschluss des Solargenerators direkt mit dem Neutralleiter verbunden. nur geringe Ableitströme kein Potenzialunterschied zwischen negativem Solargeneratorpol und Erde Bisher vergleichsweise niedriger Wirkungsgrad Abb. 8: trafolose Wechselrichter mit einpolig geerdetem Solargenerator Zusammenfassend sollte ein Wechselrichter folgende Merkmale aufweisen, um den oben genannten Problemstellungen gerecht zu werden: minimaler Spannungsripple, daher nur geringe Ableitströme kein Potenzialunterschied zwischen negativem Solargeneratorpol und Erde hoher Wirkungsgrad, vergleichbar mit trafolosen Geräten keine externe Erdung über Zusatzgeräte notwendig möglichst großer Eingangsspannungsbereich geringes Gewicht Alle oben genannten am Markt verfügbaren Konzepte können mindestens eine der Forderungen nicht erfüllen. Eine neuartige, zum Patent angemeldete Topologie, die von der Firma Sunways AG in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE entwickelt wurde, schließt diese Lücke und kombiniert die Vorteile hocheffizienter trafoloser Topologien mit den Vorzügen von potenzialgetrennten Konzepten. 6
3. HERIC -FP Bei der neuartigen trafolosen Topologie HERIC -FP ist der Minuspol des Solargenerators galvanisch mit dem Nulleiter verbunden. Somit können an dieser Stelle keinerlei Potenzialunterschiede auftreten. Der Spannungsverlauf am Pluspol des Solargenerators gegenüber Erdpotenzial entspricht dem von Transformatorwechselrichtern mit geerdetem Minuspol, so dass keine nennenswerten Ableitströme auftreten. Den prinzipiellen Aufbau dieses Konzeptes verdeutlicht die folgende Abbildung: Abb. 9: Prinzipschaltbild HERIC -FP Durch das zweistufige, modulare Konzept mit einem potenzialgebundenen DC-Steller und einem nachgelagerten, hocheffizienten Wechselrichter mit HERIC -Technologie ergeben sich hohe Wirkungsgrade, die mit denen bisheriger trafoloser Topologien vergleichbar sind. 7
Abb. 10: Wirkungsgradkurve Sunways Solar Inverter AT Durch den Einsatz eines DC-Stellers ergeben sich gegenüber Direkteinspeisern und Trafogeräten weitere Vorteile durch einen weiten Eingangsspannungsbereich, der flexible Verschaltungsmöglichkeiten zahlreicher Modultypen erlaubt. 4. Zusammenfassung Die erfolgreiche HERIC -Topologie wurde entsprechend den Anforderungen der sich momentan stark verbreitenden Dünnschichttechnologie so erweitert, dass ihre Vorteile auch bei diesen Zelltechnologien genutzt werden können. Die neuartige, zum Patent angemeldete HERIC -FP-Topologie berücksichtigt die Vorteile potenzialgetrennter Wechselrichter beim Einsatz mit Dünnschichtzellen und kombiniert diese mit den Vorteilen trafoloser Konzepte. Der neuartige Schaltungsaufbau verhindert einen Potenzialunterschied zwischen dem negativen Pol des Solargenerators und Erdpotenzial und minimiert die Ableitströme gegen Erde. 8
Die neue Topologie wird serienmäßig in alle Wechselrichter der Sunways AT-Serie integriert und wird in Kürze auf dem Markt verfügbar sein. Die Geräte der Sunways AT-Serie werden in verschiedenen Leistungsklassen bis 5 kw AC-Leistung angeboten werden. Die neue, einsatzoptimierte Geräteserie wird das aktuelle Wechselrichter-Portfolio der Sunways AG erweitern und im Vergleich zu den aktuell von Sunways angebotenen direkt einspeisenden, hocheffizienten und ertragsoptimierten Geräten mit HERIC -Topologie (NT-Serie) über einen nach unten erweiterten Eingangsspannungsbereich verfügen. Weiterhin wird die neue AT-Serie gemäß der Sunways-Philosophie mit zahlreichen Kommunikationsschnittstellen ausgerüstet sein. Literatur [1] Schmidt, H.; Burger, B.; Kiefer, K.: Welcher Wechselrichter für welche Modultechnologie, 21. Symposium photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein 2005 [2] Schmidt, H.; Burger, B.; Siedle, C.: Gefährdungspotenzial transformatorloser Wechselrichter Fakten und Gerüchte, 18. Symposium photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein 2003 [3] Wiegmann, D.; Knaup, P.; Heinickel, R.; Meyer,T.: Neue Topologie minimiert betriebsbedingte Ableitströme trafoloser Wechselrichter, 21. Symposium photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein 2005 9