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Seite 1 Wechselrichter für Photovoltaikanlagen Prof. Dr. Peter Mutschler, TU Darmstadt In der Ringvorlesung „Regenerative Energien wurde deut- lich, daß in zahlreichen Fällen eine möglichst verlustarme Umformung elektrischer Energie erforderlich ist. So wur- de im Vortrag von Herrn Dr. Keuper erwähnt, daß bei der Nutzung der Windenergie eine Entwicklungstendenz hin zu Anlagen mit variabler Drehzahl zu beobachten ist (Bild 1). Der Betrieb mit variabler Drehzahl dient der optimalen Anpassung an die jeweils herrschenden Wind- verhältnisse. Die variable Drehzahl hat zur Folge, daß der Generator ein Spannungssystem mit variabler Frequenz (ggfs. auch variabler Spannung) erzeugt. Dieses in Bild 1 mit U G und f G bezeichnete Spannungssystem ist vom Umrichter möglichst verlustarm so umzuformen, daß in das gegebene Netz mit der Spannung U Netz und der Fre- quenz f Netz möglichst reine Wirkleistung eingespeist wird. Es muß also ein Strom fließen, der möglichst sinus- förmig ist und mit der gegebenen Netzspannung in Phase liegt. Die Erzeugung derartiger Netzströme aus den ange- botenen Größen des Generators ist Aufgabe des Umrich- ters. Die im Beitrag von Prof. Wendt behandelten Brennstoff- zellen erzeugen eine Gleichspannung, die mit den Bela- stungsverhältnissen variiert. Bild 1: Entwicklungstendenz bei Windkraftanlagen Gasprozeß- einheit Erdgas H O-Dampf 2 Synth. Gas Brennstoff- zelle Wärme, Restgas Wärme - ~ O 2 f = 0 U = variabel 3 pvv02 f Netz U Netz Bild 2: Brennstoffzelle zur Netzeinspeisung Die von der Brennstoffzelle nach Bild 2 gelieferte elektri- sche Energie muß mit Hilfe des Wechselrichters möglichst verlustarm so umgeformt werden, daß wiederum in das Netz mit gegebener Spannung U netz und gegebener Fre- quenz f Netz möglichst reine Wirkleistung eingespeist wird. Auch hier ist ein möglichst sinusförmiger und in Phase mit der Netzspannung liegender Strom gewünscht. Sowohl bei Windkraftanlagen als auch bei Brennstoffzel- len liegen die Leistungen in der Regel zwischen vielen Kilowatt und einigen 100 kW. Wesentlich höhere Leistungen aus regenerativen Quellen sind bei großen Wasserkraftanlagen verfügbar. In vielen Fällen liegen diese Wasserkraftresourcen in Gebieten, die weitab von den Zentren des Bedarfes an elektrischer Energie liegen. Es entsteht somit bei der Nutzung dieser weit entfernten Wasserkraftresourcen eine Übertaragungs- aufgabe für elektrische Energie über eine große Entfer- nung. Es ist bekannt, daß die Übertragung ab einer Di- stanz von ca. 800 km mit Hilfe hochgespannten Gleich- stromes (HGÜ) wirtschaftlicher wird, als die sonst übliche Drehstrom-Übertragung. Zunächst erzeugen die Wasser- kraftgeneratoren natürlich ein Drehsspannungs-System. Wie vereinfachend in Bild 3. dargestellt, wird mittels Transformatoren eine hohe Drehspannung erzeugt, die anschließend mit Hilfe des Gleichrichters in eine hohe Gleichspannung, typischerweise ±500 kV umgeformt wird. Diese hohe Gleichspannung kann nun sehr wirt- schaftlich von der Wasserkraftanlage bis in das Ver- brauchszentrum übertragen werden. Dort wird mit Hilfe des Wechselrichters aus der hohen Gleichspannung wieder die für das Hochspannungsnetz benötigte hohe Drehspan- nung erzeugt. pvv03 U Netz Gen. W Gleichrichter Wasserkraft- Anlage 3 500kV 500kV Wechselrichter - ~ f Netz - ~ + - Bild 3: Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ)

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    Wechselrichter für Photovoltaikanlagen

    Prof. Dr. Peter Mutschler, TU Darmstadt

    In der Ringvorlesung „Regenerative Energien wurde deut-lich, daß in zahlreichen Fällen eine möglichst verlustarmeUmformung elektrischer Energie erforderlich ist. So wur-de im Vortrag von Herrn Dr. Keuper erwähnt, daß bei derNutzung der Windenergie eine Entwicklungstendenz hinzu Anlagen mit variabler Drehzahl zu beobachten ist(Bild 1). Der Betrieb mit variabler Drehzahl dient deroptimalen Anpassung an die jeweils herrschenden Wind-verhältnisse. Die variable Drehzahl hat zur Folge, daß derGenerator ein Spannungssystem mit variabler Frequenz(ggfs. auch variabler Spannung) erzeugt. Dieses in Bild 1mit UG und fG bezeichnete Spannungssystem ist vom

    Umrichter möglichst verlustarm so umzuformen, daß indas gegebene Netz mit der Spannung UNetz und der Fre-

    quenz fNetz möglichst reine Wirkleistung eingespeist

    wird. Es muß also ein Strom fließen, der möglichst sinus-förmig ist und mit der gegebenen Netzspannung in Phaseliegt. Die Erzeugung derartiger Netzströme aus den ange-botenen Größen des Generators ist Aufgabe des Umrich-ters.Die im Beitrag von Prof. Wendt behandelten Brennstoff-zellen erzeugen eine Gleichspannung, die mit den Bela-stungsverhältnissen variiert.

    Bild 1: Entwicklungstendenz bei Windkraftanlagen

    G aspr o zeß -e in h e itE r dg as

    H O -D am pf2

    S ynth . G as

    B ren n sto f f -z e lle

    W ä rm e , R estgas W ä rm e

    -~

    O2

    f = 0U = var iabe l

    3

    pv v0 2

    f N e t zU N e tz

    Bild 2: Brennstoffzelle zur Netzeinspeisung

    Die von der Brennstoffzelle nach Bild 2 gelieferte elektri-sche Energie muß mit Hilfe des Wechselrichters möglichstverlustarm so umgeformt werden, daß wiederum in dasNetz mit gegebener Spannung Unetz und gegebener Fre-

    quenz fNetz möglichst reine Wirkleistung eingespeist

    wird. Auch hier ist ein möglichst sinusförmiger und inPhase mit der Netzspannung liegender Strom gewünscht.Sowohl bei Windkraftanlagen als auch bei Brennstoffzel-len liegen die Leistungen in der Regel zwischen vielenKilowatt und einigen 100 kW.Wesentlich höhere Leistungen aus regenerativen Quellensind bei großen Wasserkraftanlagen verfügbar. In vielenFällen liegen diese Wasserkraftresourcen in Gebieten, dieweitab von den Zentren des Bedarfes an elektrischerEnergie liegen. Es entsteht somit bei der Nutzung dieserweit entfernten Wasserkraftresourcen eine Übertaragungs-aufgabe für elektrische Energie über eine große Entfer-nung. Es ist bekannt, daß die Übertragung ab einer Di-stanz von ca. 800 km mit Hilfe hochgespannten Gleich-stromes (HGÜ) wirtschaftlicher wird, als die sonst üblicheDrehstrom-Übertragung. Zunächst erzeugen die Wasser-kraftgeneratoren natürlich ein Drehsspannungs-System.Wie vereinfachend in Bild 3. dargestellt, wird mittelsTransformatoren eine hohe Drehspannung erzeugt, dieanschließend mit Hilfe des Gleichrichters in eine hoheGleichspannung, typischerweise ±500 kV umgeformtwird. Diese hohe Gleichspannung kann nun sehr wirt-schaftlich von der Wasserkraftanlage bis in das Ver-brauchszentrum übertragen werden. Dort wird mit Hilfedes Wechselrichters aus der hohen Gleichspannung wiederdie für das Hochspannungsnetz benötigte hohe Drehspan-nung erzeugt.

    pvv03

    U Netz

    G e n.

    W G leichrichter

    W asserk ra ft-Anlage

    3

    500kV

    500kV

    Wechselrichter

    -~

    f N et z-~

    +

    -

    Bild 3: Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ)

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    pvv04

    1 o de r3 P h.

    f = 0 U va riabe l

    -~ - 23 0 V - 40 0 V

    f = 5 0 H z

    :

    PV-G enerato r

    Netzgekoppe lte PV-Anlage (kleine und mittlere Leistung)

    U N etz

    W echselrichter

    Bild 4: Netzgekoppelte Photovoltaikanlage

    Die im Vortrag von Herrn Dr. Bonnet zum „Stand undZukunft der Photovoltaik“ behandelten Solargeneratorenliefern eine Gleichspannung, deren Höhe von der Tempe-ratur und in geringerem Maße auch von der Einstrah-lungsintensität abhängt. Zur Nutzung über das öffentlicheVersorgungsnetz muß auch hier diese Gleichspannung mitHilfe des in Bild 4 skizzierten Wechselrichters so umge-formt werden, daß in das Netz möglichst nur Wirklei-stung eingespeist wird. Auch hier muß der Wechselrichtereinen nahezu sinusförmigen Strom, der in Phase mit dergegebenen Netzspannung liegt, erzeugen.In dem bisher angesprochenen Vorträgen dieser Veranstal-tungsreihe wurde jeweils zu einem Gebiet ein System-überblick gegeben. Das System kann auch als Kette vonEnergiewandlungen aufgefaßt werden, so wie sie als Zei-len in einer Matrix nach Bild 5 auftreten. Die in Bild 5hervorgehobene Spalte beinhaltet jeweils die Energieum-wandlungen, die mit Hilfe der Leistungselektronik beson-ders verlustarm durchgeführt werden. Der vorliegendeBeitrag befaßt sich mit dieser Spalte der leistungselektro-nischen Energieumwandlung und zwar schwerpunktmäßigmit den Wechselrichtern für Photovoltaik-Anwendungen.

    1 KostenüberblickZunächst soll mit Bild 6 ein Überblick gegeben werdenüber die derzeitigen Gesamtkosten einer Photovoltaikanla-

    ge. Mit einem 10m2 großen PV-Generator kann eineSpitzenleistung von ca. 1kWp erzeugt werden. Uber das

    gesamte Jahr gemittelt hat man bei Aufstellung in unserseGegend eine mittlere Leistung von ca. 100W. In Bild 7 istmit der oberen Linie der ungefähre Verlauf der Gesamt-kosten über der installierten Leistung aufgetragen.

    Bild 5: Energiewandlungen

    Bild 6: Gesamtkosten einer Photovoltaikanlage

    Danach liegen die Gesamtkosten z.B. einer 10 kWp-

    Anlage bei ca. DM 185.000. Neben diesen leistungsbezo-genen Gesamtkosten sind in Bild 7 zusätzlich die lei-stungsbezogenen Wechselrichterkosten mit der unterenLinie dargestellt, wofür die rechte Ordinate gilt. Für eine10 kWp-Anlage liegen die geschätzten Wechselrichterko-

    sten bei DM 23.700 . Zum Vergleich zeigt der senkrechteBalken den derzeitign Markenpreis eines handelsüblichen40 kW Antriebs-Wechselrichters (Pulswechselrichter mitIGBT und 8 Khz Schaltfrequenz).In Bild 8 sind die prozentualen Kostenanteile der einzel-nen Systemkomponenten über der Spitzenleistung aufger-tragen. Da die Solarmodule den dominaten Kostenanteilverursachen, beginnt die Ordinatenskala erst bei 40%. Derprozentuale Kostenanteil der Solarmodule steigt mit derSpitzenleistung, da die Kostendegression bei den übrigenSystemkomponenten stärker als bei den Solarmodulenausfällt. Für das Beispiel einer 10 kWp-Anlage sind neben

    den prozentualen Kostenanteilen auch die absoluten Ko-sten der einzelnen Systemkomponenten in Bild 8 einge-tragen. Man sieht daß derzeit alleine die Montagekostendie gleiche Höhe wie der Wechselrichter haben. Über 85%der Gesamtkosten gehen auf das Konto der Solarmoduleeinschließlich der für sie notwendigen Unterkonstruktion,ihrer Montage und der restlichen Installation. Zur Errei-chung einer Wirtschaftlichkeit von PV-Anlagen ist esunumgänglich, daß in jeder einzelnen Systemkomponenteeine drastische Kostenreduktion erreicht wird. Auch derhandwerkliche Bereich mit Montage, Installation undUnterkonstruktion, der zusammen 30% der Gesamtkosten

    2 4 6 8 10 12 14 40 60 800

    1

    2

    3

    4

    pvv52

    Leistung [kW]

    Schätzung basierend auf [2]60 Angebote aus 1993 [1]

    leis

    tung

    sbez

    ogen

    e G

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    [DM

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    0

    5

    10

    15

    20

    Kosten / Leistung

    Gesamt

    Antriebs- WR(IGBT, 8kHz)

    23,7 TDM

    185 TDMGesamt

    PV-Wechselrichter

    Bild 7: Leistungsbezogene Gesamt- und Wechselrichterko-sten

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    2 4 6 8 10 12 14 40 60 8040%

    50%

    60%

    70%

    80%

    90%

    100%

    pvv51

    Leistung [kW]

    Kostenrelation der PV- Systemkomponenten

    Schätzung basierend auf [2]60 Angebote aus 1993 [1]

    12,7% (24TDM)

    12,4% (23TDM)

    8% (15 TDM)Unterkonstruktion

    9% (17 TDM)

    56% (104 TDM)

    Wechselrichter

    Montagekosten

    Installationsmaterial

    Solarmodule

    Bild 8: Kostenrelation der Systemkomponenten

    verursacht, kann hiervon nicht ausgeschlossen bleiben.Über die derzeit diskutierten Entwicklungsschritte auf demGebiet der photovoltaischen Wandler hat Herr Dr. Bonnetim zweiten Beitrag zu dieser Ringvorlesung berichtet.Wenn auch das Kostenvolumen der Wechselrichter nur12,5% der Gesamtanlage beträgt, so bedeutet dies trotz-dem keinesfalls, daß auf diesem Gebiet nicht ebenfallsweitere Anstrengungen notwendig sind. Bereits der inBild 7 enthaltene Kostenvergleich zwischen einem han-delsüblichen Antriebs-Wechelrichter und der Schätzungeines PV-Wechselrichter läßt erkennen, daß hier Rationa-lisierungspotentional in der erforderlichen Größenordnungdenkbar ist.

    2 Eigenschaften des Solargenera-tors

    Ehe auf die Wechselrichter eingegangen werden kann,müssen zunächst die elektrischen Eigenschaften des So-largenerators angesprochen werden. Im folgenden wirdvon handelsüblichen, polykristalinen Silizium-Solarzellenausgegangen. Die einzelnen Zellen werden zunächst durchReihenschaltung zu einzelnen Modulen verbunden. Ent-sprechend der gewählten Spannung werden dann mehrereModule in Reihe zu einem Strang zusammengeschaltet. Jenach Leistung werden dann mehrere Stränge zur Erhö-hung der Stromstärke parallel geschaltet. Die Strom-Spannungs-Charakteristik einer einzelnen monokristali-nen Silizium-Solarzelle mit einer Fläche von 10x10 cm istin Bild 10 dargestellt. In Bild 10 wird eine konstante Ein-

    strahlungsleistung von 900W/m2 unterstellt. Für dreiunterschiedliche Temperaturen sind dafür die Strom-Spannungs Kennlinien dargestellt. Die Leerlaufspannungwächst mit abnehmender Zellentemperatur stark an, wäh-rend der Kurzschlußstrom sich nur geringfügig verändert.Weiterhin sind zu jeder Temperatur auch der Verlauf derZellenleistung über der Zellenspannung dargestellt. Dieüberlagerte Regelung des Wechselrichters hat dafür zusorgen, daß stets ein Gleichstrom und eine Gleichspan-nung entsprechend dem MPP (Maximum-Power-Point)eingestellt wird.

    0V 100mV 200mV 300mV 400mV 500mV 600mV0,0A

    0,5A

    1,0A

    1,5A

    2,0A

    2,5A

    Zelle

    nlei

    stun

    g

    Zelle

    nstro

    m

    MPP

    MPP

    Umpp(67.5°C, 900W/m²) = 340 mV

    Zellenspannung

    200mW

    400mW

    600mW

    800mW

    1W

    67.5°C

    47.5°C

    27.5°C

    Bild 10: Strom-Spannungs- und Leistungs-Spannungs-Kennlinien für E = 900 W/m2 und variable Zelltemperatur

    In Bild 11 wird die Temperatur auf -2,5°C konstant gehal-ten und die Kennlinien bei drei unterschiedlichen Ein-strahlungsstärken aufgetragen. Der Kurzschlußstrom undauch der Strom im MPP-Punkt steigt stark mit der Ein-strahlungsleistung an. Allerdings ist die oberste Kennliniein Bild 10 in unserer Gegend kaum realistisch, da eine sostarke Strahlung bei so niedrigen Temperaturen hier in derRegel nicht vorkommen. Die Spannung im MPP-Punktund auch die Lerrlaufspannnung variieren nur geringfügigmit der Einstrahlungsleistung. Im Kurzschlußfall hat dieZelle ein Konstantstrom-Verhalten, im Leerlauffall verhältsie sich eher wie eine Spannungsquelle mit geringemInnenwiderstand.Werden einzelne Modulhälften in der Reihenschaltungabgeschattet, so wird der höhere Strom der nicht abge-schatteten Module über die Bypassdiode(n) an den abge-schatteten Teilen vorbeigeleitet, die dann nahezu im Kurz-schluss arbeiten. Die Rückstromdioden der parallelenStränge verhindern interne Kreisströme im PV-Generatorbei ungleicher Einstrahlung auf die Stränge.

    100mV 200mV 300mV 400mV 500mV 600mV0,0A

    0,4A

    0,8A

    1,2A

    1,6A

    2,0A

    Zelle

    nle

    istu

    ng

    480mV

    Zellenspannung

    Zelle

    nst

    rom

    0,0W

    0,2W

    0,4W

    0,6W

    0,8W

    1,0W 900 W/m²

    300 W/m²

    600 W/m²

    Bild 11: Strom-Spannungs- und Leistungs-Spannungs-Kennl. für -2,5°C und variable Einstrahlung

  • Seite 4

    Bild 12: Temperatur-Bestrahlungsleistung-Ebene

    2.1 Energiebilanz

    Für die Energiebilanz und auch für die Auslegung desWechselrichters interessieren die Realität auftretendenKombinationen von Bestrahlung und Temperatur. Hierzuwurden in [3] Messungen am Standort Hannover veröf-fentlicht. Über eine Erfassungsdauer von 1 Jahr (1992)wurde in Hannover auf eine 45° geneigte, nach Südenausgerichtete Anlage, die flächenbezogene Leistung

    (W/m2) und die Temperatur registriert (jeweils 10 min-Mittelwerte). Die Temperatur wird diskretisiert mit einerStufung von 5°C, ebenso wird die flächenbezogene Be-

    strahlungsleistung mit einer Stufung von 50W/m2 diskre-tisiert. Die über 1 Jahr registrierten Wertepaare von Tem-peratur und flächenbezogener Bestrahlungsleistung (10minütige Mittelwerte) werden über der diskretisiertenTemperatur/Bestrahlungsleistung-Ebene aufakumuliert. Soentsteht daß „Gebirge“ in Bild 12. Die Höhe einer Säulegibt die Energie pro Jahr und Quadratmeter an, die mit derzur Säule gehörenden Temperatur und Bestrahlungslei-stung eingestrahlt wurde. Zu jedem Wertepaar aus flä-chenbezogener Strahlungsleistung

    0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

    200

    400

    600

    800

    1000

    1200

    1400

    insgesamt 4202 h/a

    Bet

    rieb

    sdau

    er

    (h/a

    )

    Leistung/Nennleistung

    Bild 13: Jährliche Betriebsstunden einer PV-Anlage

    0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

    100

    200

    300

    400

    500

    600

    700

    800

    900

    WR-Verluste

    Trafo-Verluste

    eingesp. Energie

    eing

    esp.

    Ene

    rgie

    und

    Ver

    lust

    e (k

    Wh/

    a)

    Generatorleistung/Nennleistung

    Bild 14: Energiebilanz einer PV-Anlage mit 10 kW

    und Temperatur ist eine Kennlinie (Zellenstrom über Zel-lenspannung, siehe Bild 10 und 11) zugeordnet und damitauch ein Punkt maximaler elektrischer Leistungsabgabe(MPP). Aus dem „Gebirge“ von Bild 12 kann damit ermit-telt werden, für wieviele Stunden im Jahr der PV-Generator, welche elektrische Leistung (bei Belastungunter MPP-Bedingungen) abgibt. Dies zeigt Bild 13, wo-bei die Leistung in 5%-Stufen diskretisiert ist. Die Summeder einzelnen Balken ist in Bild 13 entspricht einer Be-triebsdauer von 4200 Stunden im Jahr, die übrige Zeit(nachts) ist die Leistung gleich Null. Man sieht, daß derGenerator für 1200 Stunden eine Leistung von 2,5%*PN(Mittel zwischen 0 und 5 %) abgibt. Weiterhin ist zu er-kennen, daß der Zeitabschnitt, in dem der Generator PNabgibt, vernachlässigbar klein ist. Dies beruht auf der

    Definition von PN als der MPP-Leistung bei 1000 W/m2

    und 25°C, einem Wertepaar, das bei uns praktisch nievorkommt.Multipliziert man in Bild 13 die diskreten Leistungen mitden jeweils zugehörigen Betriebsdauern, so erhält man dievom Generator elektrisch abgegebene Energie, die durchdie Länge der Balken in Bild 14 representiert wird. Nichtdie ganze vom Generator abgegebene Energie kann insNetz eingespeist werden, ein Teil wird im Wechselrichterund im ggfs. vorhandenen Transformator in Wärme um-gesetzt. Anhand eines gemessenen und in [4] veröffent-lichten Wirkungsgrad-Verlaufes wurden die Verluste inBild 14 für den Wechelrichter und einen 50 Hz-Netz-Transformator eingetragen. Weiterhin ist dort angenom-men, daß der Wechselrichter unterhalb einer gewissenMindestleistung, im Beispiel 5% von PN ganz abgeschal-

    tet wird. Die Wahl der unteren Betriebsgrenze hat, wienoch gezeigt wird, Einfluß auf die Bemessung des Wech-selrichters, in der Weise, daß der Aufwand für den Wech-selrichter ansteigt, wenn diese Grenze zu kleinen Wertenhin verschoben wird.Summiert (integriert) man die über das ganze Jahr vomGenerator gelieferte elektrische Energie, (Jahresarbeit)und bezieht dieses auf die Nennleistung PN , dannn erhält

    man die Anzahl von Stunden

  • Seite 5

    0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

    200

    400

    600

    800

    1000

    Anlage mit Trafo

    Anlage ohne Trafo

    Pmin

    = 0,15 Pnenn

    h/a

    Generatorleistung/Nennleistung

    Bild 15: Vergleich der jährlichen Vollaststunden

    (Vollaststunden), die eine ständig mit PN arbeitende An-

    lage benötigen würde, um die gleiche Jahresarbeit zu er-bringen. Wie erwähnt, wird der Wechselrichter unterhalbeiner noch zu bestimmenden Mindestleistung ganz abge-schaltet. Je höher diese Abschaltschwelle gelegt wird, umso geringer ist die übers Jahr ins Netz eingespeiste Ener-gie, also eine entsprechende Verringerung der daraushervorregehenden Vollast-Stunden. In Bild 15 sind fürden hier immer noch zugrunde gelegten Beispielsfall ausBild 12, die Vollast-Stunden (Ordinate) in Abhängigkeitdieser Abschaltschwelle (Abzisse) aufgetragen. Die nied-rigste Abschaltschwellte wird bei 5% der Nennleistungangenommen, dabei ergeben sich für eine Anlage mitTransformator 875 Vollast-Stunden, also nur rund 10%der Anzahl von Stunden, die das gesamte Jahr hat. Oderanders ausgedrückt: eine Anlage mit einer Nennleistungvon 5kWp liefert im Jahresmittel 500W ständig. Wird die

    Abschaltschwelle erhöht (wodurch der Aufwand im Wech-serlichter reduziert wird), dann sinkt die Zahl an Vollast-Stunden gemäß Bild 15 ab.

    3 Grundzüge der Wechselrichter

    Die vom Photvoltaik-Generator gelieferte Gleichspannungist durch Schalthandlungen so umzuformen, daß in dasNetz möglichst nur Wirkleistung eingespeist wird. Diesbedingt, daß der in das Netz eingespeiste Strom möglichstsinusförmig und in Phase mit der Netzspannung ist. DieEnergieumformung durch Schalten wird deshalb gewählt,weil ein idealer Schalter in geschlossenem Zustand denWiderstand Null hat, also keinen Spannungsabfall unddamit auch keinen Leistungsumsatz verursacht. und imgeöffneten Zustand den Widerstand unendlich zeigt, sodaß kein Strom fließt und damit auch in diesem Zustandkeine Verlustleistung am Schalter auftritt.Bild 16a zeigt die einphasige Halbbrücke mit 50Hz Netz-transformator als einfache Grundschaltung. Der PV-Generator ist in zwei gleich große Hälften aufge

    ~

    Bild 16a: Schaltmodell der einphasigen Halbbrücke(50 Hz)

    teilt und am Mittelpunkt geerdet. Parallel zu den Teilgene-ratoren liegen Kondensatoren als Zwischenspeicher elek-trischer Energie. Der Schalter S durch die in Bild 16beingezeichneten Transistoren und Dioden realisiert. Füreine einführende Erklärung genügt jedoch das Schalter-modell nach Bild 16a. Wenn sich der Schalter S in deroberen Stellung befindet, ist UWR ist gleich Uq1. Auf die

    Netzseite bezogen ist dies im Bild 17a oben dargestellt.Durch diese positive Spannung an der Induktivität L wirdder Netzstrom INetz aufgebaut. Kurze Zeit später sorgt

    eine Steuerung dafür, daß der Schalter S schlagartig in dieuntere Stellung umspringt. Damit wird die Spannung -Uq2an die Induktivität gelegt, was wieder zur Reduktion desNetzstromes führt. Die Steuerung schaltet nun den Schal-ter im Beispielsfall mit einer festen Schaltfrequenz von 5kHz so hin und her, daß der Strom im Netz im wesentli-chen einer Sinuslinie folgt.Bild 17b zeigt im oberen Bildteil die eben angesprochenenVerläufe für einen Zeitabschnitt von 25ms. In diesemZeitmaßstab erkennt man, daß die Spannungen der beidenPV-Generatoren nicht vollständig konstant bleiben. DerGrund dafür ist im unteren Bildteil zu finden. Die Lei-stung, die mit diesem einphasigen Wechselrichter ins Netzeingespeist wird ist zeitlich nicht konstant sondern siepulsiert mit der doppelten Netzfrequenz. Die Leistungender beiden Teile des PV-Generators sind im wesentlichenzeitlich konstant und zwar die jeweilige MPP-Leistung.Der Unterschied zwischen der weitgehend konstantenLeistung der PV-Generatoren und der ins Netz eingespei-sten Leistung muß in den energiespeichernden Kondensa-toren ausgeglichen werden.

    ~

    Bild 16b: Einphasige Halbbrücke (50-Hz-Netztrafo)

  • Seite 6

    -400V

    -200V

    0V

    200V

    400V

    ü*UWR,1

    UNetz

    20ms 21ms 22ms 23ms 24ms 25ms0A

    4A

    8A

    12A

    ü*Uq1

    -ü*Uq2

    vu02

    -1

    INetz

    Bild 17a: Systemgrößen der einphasigen Halbbrücke

    -400V

    -200V

    0V

    200V

    400V

    UNetz

    -ü*Uq2

    ü*Uq1

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    -4A

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    12AINetz

    -Iq2/ü

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    0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms

    2kW

    4kW

    vu0

    2-2

    PNetz

    Pq1

    Pq2

    Bild 17b: Systemgrößen der einphasigen Halbbrücke

    -400V

    -200V

    0V

    200V

    400V

    UNetz

    -ü*Uq2

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    0s 50ms 100ms 150ms 200ms 250ms 300ms0W

    1kW

    2kW

    3kW

    4kW

    Iq1/ü

    -Iq2/ü

    vu0

    2a

    PNetz

    Pq1

    Pq2

    Bild 17c: Systemgrößen der einphasigen Halbbrücke

    Der gleiche Vorgang ist in Bild 17c für 300ms dargestellt.In diesem Zeitmaßstab kann man die Abweichung desNetzstromes von der Sinusform nicht mehr erkennen. DieWelligkeit der Spannungen der beiden PV-Generatoren istim Grunde unerwünscht, denn sie bedeutet, daß die PV-Generatoren nicht konstant im Punkt maximaler Leistungarbeiten, sondern um diesen Punkt herumschwingen.Damit wird nicht ganz die maximal mögliche Leistungausgenutzt. Eine Verringerung der Schwingungsamplitudeist möglich durch Vergrößerung der engergiespeicherndenKondensatoren (Simulation: C1 = C2 = 1000µF) möglich.Am rechten Bildrand von Bild 17a erreicht die Netzspan-nung gerade ihren Scheitelwert. Damit hier der Netzstromnicht nur ab sondern auch noch aufgebaut werden kann, -um ihn in der Nähe der gewünschten Sinuslinie zu halten- ist es erforderlich, daß die Spannung ü*Uq1 an dieser

    Stelle immer noch größer als der hier vorliegende Schei-telwert von UNetz ist. Wäre dies nicht mehr gegeben,

    dann könnte der Strom INetz nicht mehr so gut entlang

    der Sinuslinie geführt werden. Dieser Wechselrichter kannseine Aufgabe also nur dann erfüllen, wenn ü*Uq1>ÛNetzist. Die Energie wird also von der Seite mit der höherenSpannung (ü*Uq1) zur Seite mit der niederen Spannung

    (ÛNetz) übertragen und man spricht deshalb von einem

    Tiefsetzsteller. Da auf der Seite der PV-Generators alsZwischenspeicher von Energie Kondensatoren verwendetwerden, die eine weitgehend konstante Spannung bereit-stellen, wird diese Art von Schaltungen auch Wechselrich-ter mit eingeprägter Spannung oder kurz U-WR genannt.Es gibt eine untere Grenze der PV-Generator-Spannung,unterhalb der die Funktion dieses U-WR nicht mehr gege-ben ist. Andererseits haben wir bereits in Bild 10 und 11gesehen, daß die von einer einzelnen Solarzelle abgegebe-ne Spannung sich stark mit der Temperatur und in gerin-gerem Maße auch mit der Einstrahlung verändert. Es istdaher die Frage zu stellen, wieviele Solarzellen denn inReihe geschaltet werden müssen um in einem möglichstweiten Bereich Energie ins Netz einspeisen zu können.

    3.1 Spannungsmäßige Auslegung desPV-Generators.

    Hinsichtlich der bei uns zu erwartenden Kombinationenvon flächenbezogener Einstrahlungsleistung und der dabeiauftretenden Zellentemperatur orientieren wir uns an dem‘’Gebirge’’ aus Bild 12. Wir benötigen nur die Grenzliniewo das ‘’Gebirge’’ aus der ‘’Ebene’’ heraustritt. DieseLinie umgrenzt den Bereich der bei der Messung aufgetre-tenen Kombinationen. Natürlich kann dies nur als grobeOrientierung dienen, da ja ein spezieller Meßort(Hannover) und ein spezielles Jahr (1992) zugrundeliegt.Schaut man von oben auf das ‘’Gebirge’’ in Bild 12 sokann man eine Grenzlinie für hohe Temperaturen undeine solche für niedere Temperaturen angeben, zwischendenen das Gebirge liegt. Diese Grenzlinien sind in Bild 18herausgezeichnet. Zu jedem Punkt auf der Grenzlinie istüber die Kennlinien der Solarzelle auch eine Zellenspan-nung bei Betrieb im MPP zugeordnet. Im Moment inter-essiert nur die unten in Bild 18 aufgetragene Linie derMPP-Zellenspannung bei hoher Temperatur. Man sieht,daß diese Kurve ihr Minimum in der Gegend von

    900W/m2 mit einem Wert von rund 340mV hat. Die zu-gehörige Temperatur geht aus der Grenzlinie für hoheTemperatur mit rund 67°C hervor.Wie vorhin erwähnt, muß bei dem als Tiefsetzsteller arbei-tenden U-WR gelten:Uq=(ÛN*kNetz) / (ü* η) = (230[V]*√2* 1,06) / (ü* 0,9) =

    383 [V] / üDa eine Spannung von mindestens 383[V]/ü erforderlichist und das Spannungsminimum einer Zelle nach Bild 18bei 340 mV liegt müssen Reih Zellen in Reihe geschaltet-werden :

    Reih = 383[V] / (ü∗ 0,340 [V] ) = 1126 / ü

  • Seite 7

    200 400 600 800 1000

    -10°C

    0°C

    10°C

    20°C

    30°C

    40°C

    50°C

    60°C

    70°C

    flächenbezogene Strahlungsleistung [W / m2]

    340mV

    360mV

    380mV

    400mV

    420mV

    440mV

    460mV

    480mV

    vu53

    MPP-Zellenspannung bei tiefer Temperatur

    MPP-Zellenspannung bei

    hoher Temperatur

    Zel

    lent

    em

    pera

    tur

    Grenzli

    nie für h

    ohe Tem

    peratur

    Grenzli

    nie für t

    iefe Tem

    peratur

    Bild 18: Temperatur- und Einstrahlungsbereiche mit zuge-hörigen Zellenspannungen

    Die Zahl der parallel zu schaltenden Stränge ergibt sichdann mit Hilfe der gewünschten Nennleistung PN, die ja

    bei 1.000 W/m2 und 25°C definiert ist. In diesem Punktgibt eine einzelne Zelle rund 1W ab. Für 10 kW brauchtman also 10.000 Zellen. Dividiert man diese Gesamtzahldurch die oben ermittelte Anzahl der in Reihe geschaltetenZellen dann erhält man die Zahl der parallel zu schalten-den. Nachdem die Zahl der in Reihe und parallel zuschaltenden Zellen bekannt ist, können die Kennlinien derEinzelzelle aus Bild 10 und 11 umgerechnet werden in dieKennlinien des gesamten Generators. Diese sind im rech-ten Bildteil von Bild 19 für den U-WR dargestellt. Wei-terhin ist die untere Betriebsgrenze für den U-WR bei383[V]/ü als senkrechte Linie eingetragen. Diese schneidetdie Generatorkennlinie für 67° und 900 W/m2 gerade imMPP.

    So

    larg

    ener

    ator

    stro

    m [A

    ]

    100/ü 200/ü 300/ü 400/ü 500/ü 600/ü 700/ü

    ü*0

    ü*10

    ü*20

    ü*30

    ü*40

    ü*50Solargenerator-Spannung [V]

    Uq > (Û~N* kNetz) / (ü*η) = (1,41*230V*1,06) / (ü*0,9) = = 383/ü [V] -> untere Betriebsgrenze für U-WR

    MPP

    U-W

    R

    25°C, 1000 W

    /m²

    U-W

    R

    67.5°C, 900 W

    /m²

    U-W

    R

    -10°C, 1000W

    /m²

    Bild 19: Strom-Spannungs-Ebene für einphasige PV-Anlagenmit Transformator

    Als nächstes interessiert für die Auslegung des Wechsel-richters die Frage wie hoch denn die Spannung mit dem soausgelegten Solargenerator maximal werden kann. Klarist, daß die höchste Spannung im Leerlauf bei tiefen Tem-peraturen auftreten wird. Unbekannt ist auf welche Ein-strahlung und welche Temperatur man sich einstellenmuß. Eine Norm ist bisher noch nicht verabschiedet, dis-kutiert wurde sowohl die Kombination 25°C und

    1000W/m2 alsauch -10°C und 1000W/m2. Die dazu gehö-renden Kennlinien sind beide in Bild 19 enthalten. Fürletztere ergibt sich dann eine Leerlaufspannung von rund700[V]/ü. Bei der einphasigen Halbbrücke werden sowohldie Spannung Uq1 als auch Uq2 jeweils diesen Wert an-

    nehmen.Wenn der Transistor T1 in Bild 16b leitet, dann liegt an

    dem Transistor T2 eine Sperrspannung von 2*700[V]/üan. In diesem Fall empfiehlt es sich, daß Übersetzungsver-hältnis des Transformators ü so zu wählen, daß man keineSchwierigkeiten bei der Auswahl der Transistoren hat,also z. B. ü> 2,5.

    4 SchaltungsübersichtNach dem einführenden Beispiel der einphasigen Halb-brücke im vergangenen Abschnitt sollen jetzt systematischeinige der in Frage kommenden Schaltungen diskutiertwerden. Hierzu zeigt Bild 20 eine Schaltungsübersicht.Sie ist grob gegliedert in die Wechselrichter mit einge-prägter Spannung (U-WR) und die dazu dualen Wechsel-richter mit eingeprägtem Strom (I-WR). Die einphasigeEinspeisung ins Niederspannungsnetz mittels PV-Wechselrichter ist nur bis 5 kW zulässig, darüber mußmehrphasig eingespeist werden. Grundsätzlich bestehtkein Zwang die Einspeisung über einen Transformatorvorzunehmen. Die meisten derzeitig am Markt befindli-chen Geräte verwenden jedoch einen Transformator, da essich hierdurch einige Vorteile aber leider auch Wirkungs-gradnachteile ergeben. Die transformatorbehafteten Gerätekann man unterscheiden in solche mit 50 Hz Netztrans-formator und in eine andere Gruppe, die einen Mittelfre-quenztransformator (10 - 50 kHz) verwenden.

    S P A N N U N G sq u e lle n W R (U -W R ) S T R O M q u el len W R ( I-W R )

    1

    1Ph (< 5 kW )

    sekundärs inus-M od .

    pr im ä rsinu s-M o d.

    nich tm ö gl ic h

    B rück e

    H a lbb rü ck e

    3 -P u nk tH a lbb rü ck e g u t!

    B rü ck e

    3 P h

    B rü ck e

    5

    3

    2

    4

    U zu h oc hDC

    1P h 3 P h

    B rü ck e

    B rück e

    T ra fo u n d G lä ttu ng sd ro ssel= u n in teressa n t

    I z u h o ch0

    Bild 20: Schaltungs-Übersicht

  • Seite 8Zunächst werden die transformatorbehafteten U-WR be-handelt, anschließend wird auf die Eigenschaften vontransformatorlosen Schaltungen zunächst beim U-WR undabschließend beim I-WR eingegangen.

    4.1 U-WR mit Transformator

    4.1.1 Einphasige Brücke mit 50 Hz-Transformator

    Das Schaltermodell der einphasigen Brücke zeigt Bild 21.Die Spannung UWR kann hier 3 Werte annehmen. Wenn

    S1 oben und S2 unten ist, dann ist UWR = Uq. Bei umge-

    kehrter Stellung also S1 unten und S2 oben wird UWRgleich minus Uq. Wenn S1 und S2 jeweils gleiche Stellung

    haben also entweder beide oben oder beide unten dann istUWR = Null. Bei der Brücke hat die gesamte Spannung Iqdieselbe Größe wie jede der beiden Teilspannungen Uq1und Uq2 aus Bild 16b. Der PV-Generator ist in Bild 21a

    wiederum zweigeteilt, aber über den geerdeten Mittelan-schluß fließt kein Strom, er dient lediglich dazu das Po-tential festzuhalten (die Erdung kann auch über eine Im-pedanz Z erfolgen). Bei der Brücke haben also die mit Plusund Minus gekennzeichneten Punkte jeweils nur eine halbso hohe Spannung gegen Erde wie in Bild 16a. Für glei-che Leistung ist der Strom der PV-Generatoren Iq bei derBrücke doppelt so groß wie bei der Halbbrücke. DieSchalter S1 und S2 werden so gesteuert, daß in dem Zeit-

    abschnitt in dem die Grundschwingung der Spannung UWRpositiv sein soll nur zwischen Plus Uq und Null hin- und

    hergeschaltet wird. Dies ist im Bild 22a ab 18,5 ms derFall. Soll dagegen die Grundschwingung negativ sein, sowird nur zwischen Null und Minus Uq geschaltet. Dies

    bewirkt, daß die Spannungssprünge, verglichen mit derHalbbrücke aus Bild 17a, jeweils nur halb so groß sind.Damit wird auch die Stromänderung nur halb so steilausfallen und der Strom wird bei dieser Brücke wenigerstark von der Sinusform als bei der Halbbrücke abweichen,allerdings benötigt man die doppelte Anzahl an Lei-stungshalbleitern . In Bild 22b sind für einen größerenZeitbereich nämlich für die ersten 25 ms die eben bespro-chenen Größen nochmals aufgetragen, sowie Spannungenund Ströme des PV-Generators. Der untere Teil vonBild 22b zeigt, daß der PV-Generator die konstante Lei-stung von 2 kW abgibt, während die ins Netz eingespeisteLeistung mit der doppelten Netzfrequenz um Pq schwingt.

    ~

    Bild 21: Schaltermodell der einphasigen Brücke mit 50 Hz

    -400V

    -200V

    0V

    200V

    400V

    UNetz

    17ms 18ms 19ms 20ms 21ms 22ms

    -8A

    -4A

    0A

    4A

    8A INetz

    vu0

    3-1

    Bild 22a: Systemgrößen der einphasigen U-WR-Brücke mit50 Hz

    -400V

    -200V

    0V

    200V

    400V

    UNetz

    ü*Uq1

    -ü*Uq2

    -12A

    -8A

    -4A

    0A

    4A

    8A

    12A

    Iq/ü

    INetz

    0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms0W

    2kW

    4kW

    Pq

    PNetz

    vu0

    3-2

    Bild 22b: Systemgrößen der einphasigen U-WR-Brücke mit50 Hz

    TransformatorDer Transformator hat nach Bild 23 folgende Aufgaben :1.) Da die Netzspannung fest vorgeben ist kann durch

    Wahl des Übersetzungsverhältnisses ü die Höhe derGleichspannung Uq gewählt werden. Die Wahl der

    Höhe der Gleichspannung wird durch die Schutzphilo-sophie einerseits und andererseits durch die verfügba-ren Bauelemente sowohl für den PV-Generator alsauch für den Wechselrichter beeinflußt.

    2.) In den beiden bisherigen Beispielen wurde das Poten-tial des PV-Generators durch Erdung des Mittelpunk-tes festgehalten. Dadurch treten keine Potentialsprüngedes großflächigen PV-Generators auf, d. h. über diedurch den Generator und Erde gebildete Kapazitätfließt kein Strom. Bei den trafolosen Lösungsansätzenist dieser Punkt besonders problematisch.

    Die beiden bisherigen Beispiele verwenden einen 50 HzNetztrafo. Ein großer Teil der heute am Markt befindli-chen PV-Wechselrichter verwendet jedoch einen Mittel-frequenztransformator. Der Grund hierfür ist, daß mitsteigender Betriebsfrequenz das Volumen zurückgeht, d.h. der Transformator wird kleiner und leichter, was sichpositiv auf das gesamte Gerät auswirkt. Weiterhin läßt essich bei Reduktion der maximalen Flußdichte Bmax errei-

    chen, daß die gesamten Verluste des Mittelfrequenztrans-formators geringer sind als die eines 50 Hz Transforma-tors.

  • Seite 9

    ~

    Bild 23: Einphasige PV-U-WR mit Mittelfrequenztrafo

    4.1.2 PV-Wechselrichter mit Mittelfrequenz-transformator und primärer Taktung sowieprimärer Modulation auf einen betragsmäßi-gen Sinusverlauf

    Dieses Schaltungsprinzip wurde anfangs der 80-er Jahre in[5] beschrieben. Von unterschiedlichen Herstellern sindGeräte am Markt, die nach diesem Prinzip arbeiten.Bild 23 zeigt das Schaltbild mit Schaltermodellen derWechselrichter.Es entspricht strukturell dem bisher besprochenen ausBild 24a. Der Unterschied liegt darin, daß der Wechsel-richter #2, der hier als ‘’Umpoler“ bezeichnet wird, nichtmit der hohen Frequenz von einigen kHz sondern lediglichmit 50Hz schaltet.

    -400V

    -200V

    0V

    200V

    400V UTrafo

    -10A

    -5A

    0A

    5A

    10A ITrafo

    vu05

    1

    0V

    200V

    400V

    UGR

    0A

    5A

    10A t1IGR

    2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms

    -10A

    -5A

    0A

    5A

    10AINetz

    -400V

    -200V

    0V

    200V

    400V

    UNetz

    Bild 24a: Systemgrößen der einphasigen PV-WR mit Mittel-frequenztrafo bei primärer Taktung und Sinus- Modulation

    Der Wechselrichter #1 erzeugt eine Spannung am Trans-formator UTrafo, die aus abwechselnd positiven und ne-

    gativen Spannungsrechtecken besteht welche jeweilsdurch spannungslose Pausen voneinander getrennt sind.Die Steuerung dieses Wechelrichters wird hier so vorge-nommen, daß der Strom des Gleichrichters IGR dem Be-

    trag eines Sinus entspricht. Eine derartige Steuerung führtzu einem Trafostrom wie er im zweiten Streifen vonBild 28a zu sehen ist. Der Wechselrichter #1 erzeugt alsosowohl die Wechselgrößen für den Mittelfrequenztrans-formator und fährt gleichzeitig den Momentanwert desGleichrichtersstromes entlang einer Sinus-Betrags-Kurve.Damit wird nach 10 ms der Strom IGR zu 0. In diesem

    Moment kann der als Umpoler bezeichnete Wechselrichter2 seine beiden Schalter stromlos umschalten, wozu Thyri-storen geeignet sind. Nachdem die Thyristoren in einerkurzen stromlosen Pause umgeschaltet haben wird derStrom IGR durch die Regelung des Wechselrichters #1

    wieder entlang der Sinus-Betragslinie hochgefahren. AlsNetzstrom ergibt sich natürlich nach dieser Umpolung dasentgegengesetzte Vorzeichen so wie es in Bild 24a imuntersten Streifen zu sehen ist. Vorteilhaft ist, daß nur derStromrichter #1 und der Gleichrichter mit einer Schalt-frequenz von einigen kHz arbeitet und damit nennenswer-te Schaltverluste entstehen. Im Wechselrichter #2 entste-hen praktisch keine Schaltverluste und auch nur rechtgeringe Durchlaßverluste der Thyristoren. Das Risikodieser Schaltung besteht in der sogenannten‘’Wechselrichter-Kippung“ Die Simulation in Bild 24astellt einen Grenzfall dar, der in der Praxis so nicht reali-siert wird. In der Simulation wird der Wechselrichter #1zu einem genau vorher bestimmten Zeitpunkt t1 gesperrt

    (Spannung 0 am Trafo). Der Zeitpunkt t1 ist der Simulati-

    on gerade so gelegt, daß der Strom durch die sinusförmigabnehmende Gegenspannung ganz kurz vor dem Zeit-punkt t=10ms Null wird. Diese Gegenspannung baut dendurch die Induktivität LZK fließenden Strom, der anson-

    sten über die vier gleichzeitig leitenden Gleichrichterdi-oden geführt wird, ab. In Realität kann man sich abernicht darauf verlassen, daß die Netzspannung UNetz so

    exakt verläuft wie in der Simulation. Beispielsweise kannein Spannungseinbruch der Netzspannung dazu führen,daß der Strom zum Zeitpunkt T = 10 ms noch nicht 0 ist.Wenn die Spannung ihren Nulldurchgang hat ehe derStrom zu Null wurde, dann treibt die Netzspannung einenStrom durch die noch leitenden Thyristoren und die vierleitenden Gleichrichterdioden. Dieser wird lediglich durchdie kleine Zwischenkreisdrossel LZK begrenzt. In einem

    solchen Störungsfall muß schnellstmöglich eine Trennungvom Netz erfolgen. Man wird daher in der Praxis daraufverzichten den Strom in Phase mit der Netzspannung zuhalten, sondern wird mit einer Phasenverschiebung vonz.B. 18° arbeiten, was einem cosϕ=0,95 entspricht. Damitergibt sich der in Bild 24b Verlauf, bei dem ein genügen-der Sicherheitsabstand zur Kippgrenze des WR#2 besteht.In Bild 24 c sind die eben besprochenen Vorgänge noch-mals für die ersten 30 ms dargestellt. Das Prinzip derprimärseitigen Modulation läßt sich nur für einphasigeGeräte anwenden.

  • Seite 10

    -400V

    -200V

    0V

    200V

    400V UTrafo

    -10A

    -5A

    0A

    5A

    10A ITrafo

    vu05

    2

    0V

    200V

    400V

    UGR

    0A

    5A

    10A

    IGR

    2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms

    -10A

    -5A

    0A

    5A

    10A18°

    INetz

    -400V

    -200V

    0V

    200V

    400V

    UNetz

    Bild 24b: Systemgrößen der einphasigen PV-WR mit Mittel-frequenztrafo bei primärer Taktung und Sinus- Modulation

    -400V

    -200V

    0V

    200V

    400V UTrafo

    -10A

    -5A

    0A

    5A

    10AITrafo

    vu05

    1a

    0V

    200V

    400V

    UGR

    0A

    5A

    10A

    IGR

    5ms 10ms 15ms 20ms 25ms

    -10A

    -5A

    0A

    5A

    10AINetz

    UNetz

    -400V

    -200V

    0V

    200V

    400V

    Bild 24c: Systemgrößen der einphasigen PV-WR mit Mittel-frequenztrafo bei primärer Taktung und Sinus- Modulation

    4.1.3 Vergleich

    Am Markt sind Geräte verfügbar, die nach den in denbeiden vorangegangenen Abschnitten besprochenenSchaltungsprinzipien arbeiten. In [6] werden die Wir-kungsgrad-Verläufe und Stromkurvenformen gegenüber-gestellt. Bemerkenswert ist, daß das Gerät mit einstufigerEnergieumformung und 50Hz Netztrafo etwas günstigereWerte im Wirkungsgead und vorallem in der Stromkur-venform erreicht als das Gerät mit 20kHz -Trafo unddreistufiger Energieumformung.

    4.2 Transformatorlose U-WR

    Betrachtet man die vorangegangenen Beispiele, so siehtman, daß die Geräte schon recht kompliziert sind. Wün-schenswert wäre eine Vereinfachung der Schaltung undeine Reduktion der Verluste. Es liegt die Frage nahe, ob esnicht möglich ist, Schaltungen zu vereinfachen in dem derTransformator weggelassen wird und damit auch dessenVerluste entfallen.Als transformatorlose Geräte sind die ein- und die drei-phasigen U-WR in der Antriebstechnik weit verbreitet.Daher soll zunächst die Eignung der U-WR als transfor-matorlose PV-WR diskutiert werden.

    4.2.1 Einphasige Brücke, transformatorlos

    Das Schaltermodell der einphasigen, transformatorlosenU-WR-Brücke ist in Bild 25 dargestellt. Zur spannungs-mäßigen Auslegung des PV-Generators ist bei transforma-torlosen Geräten natürlich ü = 1 zu setzen. Wie bereits beiBild 19 diskutiert, ist der Betrieb dieses U-WR unterhalbvon Uq = 383 V nicht mehr möglich. Nimmt man alsExtremfall der Einstrahlung bei tiefen Temperaturen dieKombination -10°C und 1.000 W/m2 an, dann steigt dieLeerlaufspannung von Uq auf 700 V. Dieser Wert istschon um einiges höher als der bei transformatorlosendreiphasigen Antriebswechselrichtern übliche, aber er istnoch nicht prohibitiv hoch. Bei der Prüfung handelsübli-cher Solarmodule durch den TÜV- Rheinland wurde dieIsolationsprüfung für die Schutzklasse II mit einer Prüf-spannung vom 6kV durchgeführt, woraus sich die imBetrieb zulässige Spannung von 1kV ergibt.

    ~

    Bild 25: Einphasige U-WR-Brücke ohne Transformator

  • Seite 11Der Solargenerator ist ein flächiges Gebilde, das eineKapazität gegen Erde aufweist. Diese Kapazität ist zu-nächst unbekannt, sie hängt von den Montage- und auchWitterungsbedingungen ab. Bei Potentialsprüngen desPV-Generators, die durch das Schalten des Wechselrich-ters aufgezwungen werden, wird über diese Kapaziät einStrom gegen Erde fließen. Die unbekannte Kapazität wirdhier folgendermaßen abgeschätzt: Wir nehmen an, daßsich auf dem Solargenerator eine salzhaltige d. h. leitfähi-ge Betauung befindet. Diese bildet also eine leitfähigeSchicht, die mit dem geerdeten Modulrahmen die eine"Platte" eines Plattenkondensators bildet. Die andere Platteist das aktive Element der Solarzelle. Das Dialektrikumdieses Plattenkondensators ist das Glas, das als Abdeckungfür die Solarzellen dient. Dieser gedachte, großflächigeKondensator wird in den folgenden Simulationen starkvereinfachend als ein konzentriertes Element angenähert.Dazu wird der Solargenerator in zwei gleich große Hälftenunterteilt und wie in Bild 25 gezeigt der Kondensator CErdin der Mitte dieses geteilten Generators angeschlossen.Weiterhin wird angenommen, daß keine Impedanz zwi-schen diesem gedachten Anschlußpunkt des KondensatorsCErd und dem Punkt "N" des Netzes vorhanden sei. Mitdiesem stark vereinfachten Modell können natürlich nurgrobe Abschätzungen gemacht werden, insbesondere überdie Abstrahlung von EMV-Störungen über den großflä-chigen PV-Generator liefert dieses einfache Modell si-cherlich keine brauchbaren Aussagen.In der Simulation von Bild 26a wurde als Vergleichsbasisdie eben diskutierte Kapazität zwischen dem PV-Generator und Erde weggelassen. Der mittlere Streifenvon Bild 30a zeigt die Spannung zwischen dem Punkt "N"des Netzes und dem Mittelpunkt des PV-Generators. InBild 26b wird nun ein konzentrierter Kondensator zwi-schen dem Mittelpunkt des PV-Generators und dem PunktN des Netzes berücksichtigt. Alle 10 ms wechselt die Po-larität der vom Wechselrichter zu erzeugenden Grund-schwingung. Mit diesem Polaritätswechsel verbunden istder Wechsel zwischen den positiven und den negativenSpannungspulsen. In diesem Zeitbereich wird eineSchwingung über den Kondensator CErd angestoßen, die inder Simulation einer Amplitude von 1 kV zeigt. Der Stromüber diesen Kondensator ist im untersten Streifen von Bild26b dargestellt. Die hohen Spannungsamplituden amKondensator CErd treiben hier den Nullsystemstrom ICE,dessen Scheitelwert bei rund 4 A liegt. Dieser fließt überdie beiden symmetrisch aufgebauten Netzzuleitungen jezur Hälfte zum Wechselrichter zurück, weshalb im StromINetz nur die halbe Schwingungsamplitute auftritt.Zusammenfassend kann gesagt werden, daß bei der trans-formatorlosen Ausführung je nach Witterungsverhältnis-sen (z. B. salzhaltige Betauung) Situationen auftretenkönnen, in denen erhebliche Resonanzschwingungen desPV-Generators gegenüber Erde auftreten. Diese SpannungUCE überlagert sich den Spannungen Uq, wodurch Werteweit jenseits der zulässigen Betriebsspannung entstehen.Weiterhin muß davon ausgegangen werden, daß die dabeientstehenden Störabstrahlungen ebenfalls weit über daszulässige Maß hinausgehen.

    -400V

    -200V

    0V

    200V

    400VUWR

    2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms

    -12A-8A-4A0A4A8A

    12A

    INetz

    vu08

    -0

    -1kV

    -500V

    0V

    500V

    1kV

    UCE

    Bild 26a: Systemgrößen der einphasigen transformatorlosenU-WR-Brücke, wenn keine Kapazität zwischen PV-Generator und Erde vorhanden wäre

    -400V

    -200V

    0V

    200V

    400VUWR

    2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms

    -12A-8A-4A0A4A8A

    12A

    INetz

    vu08

    -1

    -1kV

    -500V

    0V

    500V

    1kV

    UCE

    -4A-2A0A2A4A

    ICE

    Bild 26b: Systemgrößen der einphasigen transformatorlosenU-WR-Brücke, mit Kapazität zwischen PV-Generator undErde

  • Seite 12

    ~~

    ~

    i R

    uR

    uRS

    Bild 27: Dreiphasige U-WR-Brücke ohne Transformator

    4.2.2 Dreiphasiger U-WR, transformatorlos

    Der dreiphasige, transformatorlose U-Wechselrichter ist inder Antriebstechnik bei mittleren Leistungen heute derbevorzugt eingesetzte Srtomrichter. Daher interessiert dieFrage, wie sich eine derartige Schaltung beim Einsatz alstransformatorloser PV-Wechselrichter verhält. In Bild 27ist das Schaltermodell dieses U-WR dargestellt. Es ent-steht durch Erweiterung der bisher besprochenen einpha-sigen Brücke um einen weiteren Schalter-Strang. Netzsei-tig übernimmt aber jetzt die verkettete Spannung z. B. uRSdie Rolle die zuvor die Leiter-Erdspannung hatte. Dieswird bei der spannungsmäßigen Auslegung des PV-Generators dadurch berücksichtigt, daß die Spannung um

    den Faktor 3 höher gewählt wird. In Bild 28c sind da-her die Kennlinien des Generators mit dem für den drei-phasigen Fall gültigen Spannungs- und Strommaßstabnochmals dargestellt. Für ü = 1 liegt die untere Betriebs-grenze des dreiphasigen U-WR bei Uq = 660 V. Für dieNennbedingungen mit 25°C und 1.000 W/qm ergibt sichbereits eine Leerlaufspannung über 1 kV, die bei Absinkender Temperatur auf minus 10°C bis auf über 1,2 kV an-wächst. Bereits diese Spannungsbeanspruchung ist für dieheute üblichen Solargeneratoren nicht mehr zulässig.Trotzdem sollen die weiteren Eigenschaften dieser Schal-tung noch kurz angesprochen werden. Bild 28a zeigt wie-derum als Vergleichsbasis die Simulation der Schaltungohne die Erdkapazität. Wird ein Kondensator entspre-chend dem zuvor behandelten Beispiel auch hier zwischendem Mittelpunkt des geteilten PV-Generators und Erdeangeschlossen so zeigt die Simulation die Verläufe nachBild 28b. Lediglich die verkettete Spannung URS zeigt diegewohnten Verhältnisse, in den anderen Spannungen undStrömen sind sehr stark die Einflüsse des über Erde flie-ßenden Stromes ICE zu erkennen. Zu bemerken ist, daßhier gemäß dem Unterschwingungsverfahren alle 3Schalter mit gleicher Frequenz betätigt werden. Daher istdie ausgeprägte Anregung, die im vorigen Beispiel in Bild28c alle 10 ms auftrat hier nicht vorhanden. Trotzdem trittein Nullsystemstrom ICE auf, der auch hier Scheitelwertevon fast 4 A erreicht. Aufgrund der viel zu hohen Span-nung und des Nullsystemstromes sowie der zu erwarten-

    den Störabstrahlung ist die dreiphasige, transformatorloseU-WR-Brücke als ungeeignet einzustufen.

    12ms 14ms 16ms 18ms 20ms

    -400V

    -200V

    0V

    200V

    400V

    eT(t) eR(t)iR(t)iT(t)

    -600V

    -300V

    0V

    300V

    600VuRS(t)

    vu09

    -1

    -300V

    0V

    300V

    600VuR(t)

    12ms 14ms 16ms 18ms 20ms-600V

    -300V

    0V

    300V

    uCE(t)

    -10A

    -5A

    0A

    5A

    10A

    Bild 28a: Systemgrößen der dreiphasigen transformatorlosenU-WR-Brücke, wenn keine Kapazität zwischen PV-Generator und Erde vorhanden wäre

    -400V

    -200V

    0V

    200V

    400V

    eT(t) eR(t)iR(t)

    iT(t)

    -600V

    -300V

    0V

    300V

    600V

    uRS(t)

    vu09

    -2

    -600V

    -300V

    0V

    300V

    600VuR(t)

    12ms 14ms 16ms 18ms 20ms-300V

    0V

    300V

    iCE(t)

    uCE(t)

    -10A

    -5A

    0A

    5A

    10A

    -4A

    -2A

    0A

    2A

    4A

    Bild 28b: Systemgrößen der dreiphasigen transformatorlosenU-WR-Brücke mit Kapazität zwischen PV-Generator undErde

  • Seite 13

    0/ü 200/ü 400/ü 600/ü 800/ü 1000/ü 1200/ü 1400/ü0*ü

    5*ü

    10*ü

    15*ü

    20*ü

    25*ü

    30*ü

    Solargeneratorspannung [V]

    MPP

    MPP

    untere Betriebs-grenze für 3-ph. U-WR660[V] /ü

    obere Betriebs-grenze für 3-ph . I-WR

    U-WR

    25°C, 1000 W/m²

    I-WR 25°C, 1000W/m²

    U-WR

    67.5°C, 900 W

    /m²

    U-WR

    -10°C, 1000W

    /m²

    I-WR -2.5°C, 300W/m²

    1 kV Grenze durchmax. Betriebsspannung

    der PV-Module

    Sol

    arg

    ene

    rato

    r-Stro

    m [

    A]

    Bild 28c: Strom-Spannungs-Ebene für dreiphasige PV-Anlagen mit Transformator

    ~

    Bild 29a: Schaltermodell der einphasigen Drei-Punkt U-WR-Halbbrücke ohne Transformator

    ~

    Bild 29b: Einphasige Drei-Punkt U-WR-Halbbrücke ohneTransformator

    4.2.3 Drei-Punkt Halbbrücke, transformator-los

    Bild 29a zeigt das Schaltermodell der transformatorlosen3 Punkt Halbbrücke. Der Schalter kann die Netzdrosselentweder mit dem positiven Pol des PV-Generators odermit seinem Mittelpunkt oder mit dem negativen Pol desPV-Generators verbinden.Der Mittelpunkt des PV-Generators wird mit dem Leiter „N“ des Netzes verbun-den. Damit kann hier das Potential des PV-Generatorsnicht mehr springen, weshalb die zuvor besprochenenAbstrahlungs- und Überspannungsprobleme hier nicht zubefürchten sind. Die Realisierungsmöglichkeit eines der-artigen 3 Punkt Schalters mit 4 in Reihe liegenden Tran-sistoren sowie weiteren Dioden ist in Bild 29b dargestellt.Für jede der beiden Teilspannungen Uq1 und Uq2 muß dieBedingung aus Bild 19 erfüllt sein d. h. der Betrieb ist nurdann möglich, wenn diese Spannungen > 383 V sind. Fürdie Nennbedingungen bei 25°C und 1.000 W/m2 Einstrah-lung ergibt sich eine Leerlaufspannung von jeweils 620 Vgegen Erde. Die Spannung zwischen den beiden Polen desGenerators beträgt damit 2 ∗ 620 V. Sinkt die Temperaturauf -10°C ab, so steigt die Leerlaufspannung der beidenTeilgeneratoren auf jeweils rund 710 V. Zwischen denpositiven und negativen Polen des PV-Generators liegendamit 2 ∗ 710 V. Diese Spannung ist im Betrieb von je-weils 2 der insgesamt 4 Transistoren als Sperrspannungaufzunehmen, wobei noch ein Sicherheitszuschlag für eineunsymmetrische Spannungsaufteilung notwendig ist. InBild 29c ist der simulierte Verlauf einiger Systemgrößendieser Schaltung dargestellt. In der ersten Halbwelle wirdder Schalter zwischen dem positiven Pol und dem Mittel-punkt des PV-Generators hin- und hergeschaltet, währendin der negativen Halbwelle der Spannungsgrundschwin-gung zwischen dem negativen Pol und dem Mittelpunkthin- und hergeschaltet wird. Hierzu zeigt der obersteStreifen von Bild 29c den Strom in dem obersten und demuntersten der 4 Transistoren des Schalters, während dieStröme durch die beiden mittleren Transistoren im zwei-ten Streifen von Bild 29c dargestellt sind. Der dritteStreifen von Bild 32c zeigt die Spannungen an den beidenunteren Transistoren, wobei Transistor 3 gegen Ende derersten Halbperiode deutlich weniger Spannung aufnimmtals Transistor 4. Hier wären noch Symmetrierungsmög-lichkeiten in das Steuerverfahren einzubauen. Die beidenletzten Streifen von Bild 29c zeigen den Netzstrom unddie Netzspannung.Bewertung: Für den extremen Fall von -10°C und 1.000W/qm können die Spannungen gegen Erde jeweils 700 Verreichen. Dies ist für die PV-Module zulässig. Für denWechselrichter in 3-Punkt Technik sind diese Spannungenmit den heute verfügbaren IGBT-Transistoren mit größterWahrscheinlichkeit beherrschbar. Als entscheidenterVorteil dieser Topologie ist zu sehen, daß es eine trans-formatorlose Schaltung ist, bei der das Potential desPV-Generators am Mittelpunkt festgehalten wird. Damittreten keinerlei Potentialsprünge des PV-Generators auf

  • Seite 14und alle damit zusammenhängenden Probleme der voran-gegangen Beispiele entfallen.Es ist klar, daß durch Hinzufügen zweier weiterer einpha-siger 3 Punkt Wechselrichter eine dreiphasige Anordnunggemäß Bild 30 erzeugt werden kann. Im Teillastbereichalso bei schwächerer Sonneneinstrahlung sollte die Lei-stung auf möglichst wenige Wechselrichter verteilt wer-den, die dann jeweils gut ausgelastet sind. Durch das Ab-schalten von ein oder zwei nicht für die Leistungseinspei-sung benötigten Wechselrichtern wird der Gesamtwir-kungsgrad im Teillastbereich verbessert.

    UNetz

    -2A

    0A

    2A

    4A

    6AITrans4ITrans1

    2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms-2A

    0A

    2A

    4A

    6A ITrans3ITrans2vu

    07

    -400V

    -200V

    0V

    200V

    400V Uq1

    Uq2

    UWR

    2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms

    -6A-4A-2A0A2A4A6A

    INetz

    0V

    200V

    400V

    UTrans4UTrans3

    Bild 29c: Drei-Punkt U-WR-Halbbrücke ohne Transforma-tor

    Bild 30: U-WR bestehend aus einphasigen Drei-Punkt-Halbbrücken

    4.3 Wechselrichter mit eingeprägtemGleichstrom (I-WR)

    Sucht man einn transformatorlosen Wechselrichter, dermit deutlich niedrigere Gleichspannung als die zuvorbesprochene U-WR-Halbbrücke arbeitet, dann bietet sichdie zum U-WR duale Schaltungsfamilie der I-WR an.Bild 31 zeigt das Schaltermodell eines einphasigen, ge-pulsten I-WR. Durch die Induktivität Ld wird ein geglätte-ter Gleichstrom dem PV-Generator entnommen. Für diegezeichnete Stellung von S1 und S2 wird der in das netz-seitige Filter (CN, LN) eingespeiste Strom iWR = Id. Wech-seln die Schalter S1 und S2 je in die entgegengesetzteStellung, dann wird der Strom iWR=-Id, d. h. die Polaritätdes in den Filter eingespeisten Stromes dreht sich herum.Weiterhin können die beiden Schalter S1 und S2 beide die

    gleiche Stellung, also beide links oder beide rechts, ein-nehmen. In diesen Fällen ist iWR=0 und der Strom Id fließtam Netz vorbei direkt über die beiden Schalter S1 und S2.Diesere Zustände seien „Nullzustände“ genannt. Hierbeiist die Gegenspannung für den Strom IG Null, der Strom Idwird durch die Generatorspannung Uq getrieben anwach-

    sen und damit den Energiegehalt der Induktivität Ld erhö-hen. Werden dann die Schalter S1 und S2 in die Bild 31gezeigte Stellung gebracht, dann fließt der Strom Id als

    iWR weiter, selbst wenn die Spannung UC höher als die

    Spannung Uq ist. Das bedeutet, daß in diesem Fall die

    Energie von der Seite mit der niedrigeren Spannung (Uq)

    auf die Seite mit der höheren Spannung (UC) gebracht

    wird. Daher spricht man hier von einem Hochsetzsteller.Dies ist ein entscheidender Unterschied zum U-WR, dennbeim I-WR wird damit die Spannung Uq wesentlich klei-

    ner als beim U-WR, d.h. Porbleme mit sehr hohen Span-nungen treten hier nicht auf. Durch das Hin- und Her-schalten von S1 und S2 kann der Kondensator CN so mit

    Ladung versorgt werden, daß seine Spannung einem sinus-förmigen Verlauf nahekommt. Während der positivenHalbschwingung von UC wird dabei der Strom iWR zwi-

    schen dem Wert +Id und 0 hin- und hergeschaltet, ent-

    sprechend wird für die negative Halbschwingung zwischen0 und -Id geschaltet.

    Induktive Bauelemente ( Trafo, Drossel) sind aufwendig(Gewicht, Volumen, Verluste...). Da der I-WR stets eineDrossel (Ld) benötigt, werden in Bild 20 Schaltungen, die

    zwei dieser aufwendigen Bauelemente benötigen (Trofound Drossel) als uninteressant eingestuft.Bei 1-ph. Schaltungen muß ein großer Energiespeicher dieDifferenz zwischen der möglichst konstanten (MPP) Lei-stung des PV-Generators und der pulsierenden, ins Netzeingespeisten Leistung aufnehmen. Beim I-WR ist dieserEnergiespeicher die Drossel. Die Größe dieser Drosselmacht den 1-ph. I-WR ebenfalls wenig attraktiv.Als interesannter Ansatz bleibt nur noch der 3-ph., trafo-lose I-WR. Bild 32 zeigt das zugrhörige Schaltermodell.

  • Seite 15

    ~

    Bild 31: Schaltermodell des einphasigen I-WR

    ~

    ~

    ~

    Bild 32: Schaltermodell des dreiphasigen I-WR

    4.3.1 Spannungsmäßige Auslegung des PV-Generators für I-WR.

    Würde nur mit Netzfrequenz (50Hz) getaktet, dann würdealle T/6 (T= Netzperiodendauer) alternierend einer derbeiden Schalter in Bild 32 um einen Kontakt weitersprin-gen (Blocktaktung). Bei vernachlässigten netzseitigenFilter und cosϕ=1 wäre der zeitliche Mittelwert der Span-nung ud(t):

    U V Vd = =3 3

    2 230 538*

    * * [ ] [ ]π

    Damit der Strom id(t) nach einer Periode wieder den glei-

    chen Wert hätte, also id(t+T)=id(t), müsste Uq= Uq1+

    Uq2 =Ud sein. Ein höherer Wert von Uq würde zum An-

    steigen des Mittelwertes Id führen. Es gibt also beim

    Hochsetzsteller ( I-WR) eine obere Grenze der PV-Generatorspannung, oberhalb der kein stationärer Bertiebmöglich ist. Um eine sinusähnliche KondensatorspannungUc zu erhalten, wird mit einigen kHz und nicht mit obiger

    Blocktaktung gearbeitet. Dabei werden immer wieder„Nullzustände“ geschaltet, während denen ud(t)=0 ist.

    Damit verringert sich der zeitliche Mittelwert Ud um den

    durch die Nullzustände verloren gegangenen Anteil. Diesführt zu der in Bild 28c eingetragenen oberen Betriebs-grenze des 3-ph. I-WR bei Uq=490V. Nach Bild 18 liegt

    das Maximum der MPP-Zellenspannungen bei 480mV,

    wozu 300W/m2 und -2,5°C gehören. Damit sind beim 3-ph. I-WR 490/ 0,48=1020 Zellen in Reihe zu schalten.Neben der für die Auslegung maßgeblichen Kennlinie

    (300W/m2 und -2,5°C ) ist in Bild 28 c noch die Kennli-

    nie bei Nennbedingungen (1000W/m2 und 25°C ) , derenMPP-Spannung natürlich unterhalb der oberen Betriebs-grenze liegt, eingetragen.Man sieht aus Bild 28c, daß der hochsetzende I-WR mitwesentlich kleineren PV-Generator-Spannungen arbeitetals der tiefsetzende U-WR.

    4.3.2 3-ph. I-WR, trafolos.

    In Bild 33a sind einige Systemgrößen des dreiphasigentransformatorlosen I-Wechselrichters dargestellt. Dabeiwird in Bild 36a als Vergleichsbasis wiederum zunächstdie in Realität vorhandene Kapazität zwischen PV-Generator und Erde weggelassen. Als Steuerverfahrenwird hier das auf den I-Wechselrichter übertragene Unter-schwingungsverfahren verwendet. Beim dreiphasigen I-Wechselrichter sind drei verschiedene Null-Zuständemöglich. Das in Bild 33a verwendete Steuerverfahrenwählt jeweils aus diesen drei denjenigen Nullzustand aus,der mit der minimalen Anzahl von Schalthandlungenerreicht wird. Der oberste Streifen in Bild 33a zeigt denStrom iWR, der aus einer Phase des Wechselrichters in dasnetzseitige Filter fließt. Dieser Strom springt zwischen denWerten 0 und +Id während der positiven Halbschwingungund zwischen den Werten 0 und -Id während der negativenHalbschwingung hin und her. Der zweite Streifen von Bild33a zeigt die Spannungen an den Kondensatoren CN,wenn diese in Stern geschaltet sind. In der Praxis wird dieDreieckschaltung bevorzugt, zur Darstellung des Zusam-menhangs zwischen Strömen und Spannungen eignet sichjedoch die hier gewählte Form besser. Da die Filterelemen-te möglichst klein gewählt werden, sind die Spannungenan den Kondensatoren noch mit relativ hohen Ober-schwingungen behaftet. Aufgrund der netzseitigen Induk-tivität werden dann die entsprechenden Ströme, die imdritten Streifen von Bild 33a dargestellt sind, schon sehrgut sinusförmig sein.In Realität wird eine Kapaziät zwischen dem flächigenPV-Generator und Erde vorhanden sein. Entsprechend denbereits beim U-WR diskutierten vereinfachten Modell,wird im folgenden eine konzentrierte Kapazität CErd zwi-schen dem Mittelpunkt des in zwei gleiche Hälften aufge-teilten PV-Generators und Erde angenommen. Für diesenFall zeigt Bild 33b einige der Systemgrößen. Es wird hierdas gleiche Steuerverfahren wie im vorangegangenen Bildverwendet. Im obersten Streifen von Bild 33b ist die Span-nung zwischen dem Mittelpunkt des PV-Generators undErde, also die Spannung am Kondensator CErd aufgetra-gen. Der Mittelpunkt des PV-Generators und damit natür-lich auch sein positiver und negativer Anschluß schwingenmit Amplituden bis zu 600 V und einer Frequenz, die sichaus den Resonanzelementen, insbesondere aus Ld und CErdergibt. Gleichzeitig fließt über den Kondensator CErd einNullsystemstrom, der Scheitelwerte von rund 6 A erreicht.Dieser verteilt sich über die drei Netzströme, die im dritten

  • Seite 16Streifen von Bild 33b dargestellt sind. Mit derartigenSystemgrößen dürfte kaum ein akzeptabler Betrieb desdreiphasigen, transformatorlosen I-Wechselrichters gege-ben sein.In den vorangegangen Bildern wurde ein Steuerverfahrenverwendet, das jeweils den Nullzustand einschaltet, dermit der minimalen Zahl von Schalthandlungen erreichtwird. Um das Verhalten der Schaltung zu verbessern, wirdin Bild 33c das Steuerverfahren dahingehend geändert,daß jeweils derjenige Nullzustand eingeschaltet wird, derzum geringsten Potentialsprung auf der Gleichspannungs-seite führt. Dies bedeutet, daß zwar öfters eine zusätzlicheSchalthandlung zum Erreichen des Nullzustandes not-wendig wird, aber man erhält eine deutliche Reduktion desNullsystemstromes. Wewiterhin wird der Mittelpunkt desPV-Generators hochohmig geerdet. Hierzu zeigt Bild 33cim obersten Streifen die Spannung zwischen dem Mittel-punkt des PV-Generators und Erde. Diese Wechselspan-nung hat die dreifache Grundfrequenz, also 150 Hz. IhreAmplitude liegt bei rund 70 V. Der durch den Kondensa-tor CErd fließende Strom ICE ist im zweiten Streifen vonBild 33c dargestellt. Im dritten Streifen von Bild 33c sinddie Netzströme zu sehen. Insgesamt bringt das hier vorge-schlagene Steuerverfahren mit der Auswahl der Nullzu-stände für minimale Potentialsprünge auf der Gleichspan-nungsseite eine deutliche Verbesserung gegenüber demvorangegangenen Bild 33 b.

    5ms 10ms 15ms 20ms

    -20A

    -10A

    0A

    10A

    INetzTINetzSINetzR

    5,0ms 10,0ms 15,0ms 20,0ms

    -400V

    -200V

    0V

    200V

    400VUCTUCSUCR

    -20A

    -10A

    0A

    10A

    20AIWRR

    Bild 33a: Systemgrößen der dreiphasigen I-WR-Brücke mitnormalen Unterschwingungsverfahren ohne Kapazität zwi-schen PV-Generator und Erde

    5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms

    -20A

    -10A

    0A

    10A

    20AINetzTINetzS

    INetzR

    -4A

    -2A

    0A

    2A

    4A ICE

    -400V

    -200V

    0V

    200V

    400V

    onru

    end

    UCE

    Bild 33b: Systemgrößen der dreiphasigen I-WR-Brücke mitnormalen Unterschwingungsverfahren mit Kapazität zwi-schen PV-Generator und Erde

    5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms

    -20A

    -10A

    0A

    10A

    20AINetzTINetzS

    INetzR-6A

    -4A

    -2A

    0A

    2A

    4A

    6A

    ICE

    -400V

    -200V

    0V

    200V

    400V

    UCE

    Bild 33c: Systemgrößen der dreiphasigen I-WR-Brücke mitneuem Unterschwingungsverfahren mit Kapazität zwischenPV-Generator und Erde

  • Seite 175 ZusammenfassungNach einer Übersicht über die am Markt befindlichenGeräte-Prinzipien wird zur Vereinfachung der Schaltun-gen und Reduzierung von Verlusten untersucht, welcheSchaltungstopologien für transformatorlose PV-Anlagengeeignet sind. Bei allen transformatorlosen PV-Anlagenist besonderes Augenmerk sowohl auf die Ströme, die überdie Kapazität zwischen dem flächig ausgebildeten PV-Generator und der Erde fließen als auch auf alle weiterenStörabstrahlungen zu legen. In dieser Arbeit wird ein ganzgrobes Modell für die Kapazität zwischen PV-Generatorund Erde verwendet. Genauere Untersuchungen könnennur an einem realen Aufbau durchgeführt werden. Dies istinsbesondere deshalb schwierig, weil nicht nur ein geeig-neter PV-Generator im Leistungsbereich von mindestens 5kW benötigt wird, sondern weil gleichzeitig eine Meßum-gebung für EMV-Messungen und eine hinreichende Ein-strahlung auf dem in Betrieb befindlichen Generator vor-handen sein müssen. Auf absehbarer Zeit werden uns hierweder ein geeigneter PV-Generator noch die entsprechen-de Meßumgebung zur Verfügung stehen, so daß genauereAussagen zu diesem zentralen Problemkreis der transfor-matorlosen PV-Wechselrichter so schnell nicht möglichsein werden.Die bisherigen Untersuchungen haben gezeigt, daß esoffenbar nur zwei erfolgsversprechende Schaltungstopo-logien für die transformatorlose PV-Einspeisung gibt: Zumeinen ist das der zuletzt besprochene dreiphasige I Wech-selrichter, der vor allem dann in Frage kommt, wenn manan möglichst niedrigen PV-Spannungen interessiert ist.Die zweite Alternative ist der U-WR als einphasige Drei-punkthalbbrücke. Hierbei treten keine Potentialsprüngedes PV-Generators auf und damit sind auch keine Abstrah-lungsprobleme zu erwarten. Die Gleichspannungen sindhierbei deutlich höher als beim I-WR, sie erreichen bis zu±700 V. Derzeitige Solarmodule werden mit 6 kV geprüft,eine Betriebsspannung von 1.000 V ist zulässig. Drei der-artige einphasige Einheiten können zu einem dreiphasigenWechselrichter zusammengeschaltet werden, wobei imTeillastbetrieb einzelne Wechselrichter-Phasen abgeschal-tet werden sollten um einen möglichst hohen Wirkungs-grad zu erzielen.

    Literatur:

    [1] Lutz,H.P.: Marktanalyse PV-Anlagen.Zeitschrift "Sonnenensegie" 5/ 93, DGS-Sonnenenergie-Verlag München, S.6-7

    [2] Bürgel,K.: ‘Photovoltaik Megawatt- Projekt Ber-lin’ (Bewag) 6.- Nationales Photovoltaik-- Symposium Staf-felstein 1991 S. 62-71

    [3] Decker,B; Jahn,U.: Energieeintrag von netzge-koppelten PV- Anlagen. Ertragsprognosen undBetriebsergebnisse aus dem 1000-Dächer PV-Programm. 8.- Nationales Photovoltaik-Symposium Staffel-stein 1993 , S.95 - 104

    [4] Anhand eines gemessenen und in [4] veröffent-lichten Wirkungsgrad-Verlaufes wurden dieVerluste in Bild 14 für den Wechelrichter und ei-nen 50 Hz-Netz-Transformator eingetragen.

    [5] Steigerwald et al.:Investigation of a family ofpower conditioners integrated into the utility grid.Category one: Residential power conditioners.(Final Report). SAND81-7042, Sandia NationalLabatories, 1982

    [6] Wilk,H.:Netzgekoppelte Photovoltaik-Systemeunter besonderer Berücksichtigung des 200kWBreitentests.In: Friedrich,K ; Wallner,W (Hrsg.): Energiein-novation- Realität und VisionÖsterreichischer Verband für Elektrotechnik,ÖVE-Schriftenreihe Band Nr.6, 1994, S.130-142