Alternative Energien Distribution hilft beim Design

Solar- und Windenergie sind zwei wichtige erneuerbare Energiequellen, die verfügbar sind. Trotz großer Fortschritte gibt es noch immer eine große Lücke zwischen der Realität und dem Ziel, das erreicht werden soll. Beim Design von Wechselrichtern für Solaranlagen und von Rotorblatt-Verstellsystemen gibt es noch Potenzial.

Solaranlagen nutzen heute meist einen einzigen, zentralen Wechselrichter, um die von den Solarmodulen erzeugte Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuwandeln, die dann für AC-Lasten oder das Stromversorgungsnetz geeignet ist. Zudem muss ein MPPT (Maximum Power Point Tracking) implementiert werden, um eine möglichst hohe Ausgangsleistung des Gesamtsystems sicherzustellen. In dieser Konfiguration kann die erzeugte Leistung aber stark abfallen, wenn beispielsweise durch Wolken oder andere Faktoren zu wenig Sonnenlicht auf mehr als zehn Prozent der Gesamtfläche der Solarmodule fällt. Um dieses Problem zu lösen, erhalten Solarmodule immer öfter einen eigenen Mikrowechselrichter. Damit ist gewährleistet, dass jedes Modul für sich im maximalen Leistungspunkt arbeitet und das Gesamtsystem stets die höchstmögliche Ausgangsleistung liefert.

Ein Mikrowechselrichter besteht aus einem Controller, einem Aufwärtswandler (Boost) und einem DC/AC-Umrichter sowie dem notwendigen Filter und einer Strom/Spannungs-Erkennungsschaltung (Bild 1). Gesteuert von einem DSC (Digital Signal Controller), wandelt ein Hochsetzsteller die von den Solarmodulen erzeugte niedrige DC-Spannung in eine hohe DC-Spannung, gleichzeitig wird auch das MPPT realisiert. Anschließend wird die hochgesetzte DC-Spannung in eine Wechselspannung umgewandelt, die dann in das Versorgungsnetz eingespeist werden kann.

Designüberlegungen

Für das Design von Mikrowechselrichtern gibt es drei wichtige Aspekte: 

  • Wie kann die Reaktionsgeschwindigkeit und die Präzision des MPPT-Algorithmus erhöht werden, sodass damit die maximale Eingangsleistung des Mikrowechselrichters erreicht wird? 
  • Wie lässt sich der Ausgangswirkungsgrad des Mikrowechselrichters erhöhen? 
  • Wie lässt sich die Anzahl der benötigten Bauteile für den Wechselrichter reduzieren und damit die Kosten senken? 

Als MPPT-Algorithmus für den Mikrowechselrichter bietet sich die INC-Methode (Incremental Conductance) an. Diese funktioniert im Hinblick auf Präzision und Stabilität besser als andere Algorithmen, wie P&O (Perturb and Observe) oder eine Konstantspannungs-Methode. Allerdings erfordert die INC-Methode einen leistungsfähigen Prozessor, um diese Vorteile nutzen zu können. Anstatt eines universellen Prozessors ist ein hochintegrierter DSC wegen seines DSP-Befehlssatzes eine bessere Wahl. Damit lässt sich der MPPT-Algorithmus genauer implementieren, und es ist eine schnellere Steuerung des DC/AC-Umrichters möglich. Die Eingangsleistung des Mikrowechselrichters lässt sich somit erhöhen.
Normalerweise werden die Umrichterschaltungen als Vollbrücken ausgeführt und nicht mit IGBTs, sondern MOSFETs aufgebaut. In Anwendungen mit geringem Stromverbrauch - ein einzelnes Solarmodul hat üblicherweise eine Ausgangsleistung von 200 W bis 300 W - bieten MOSFETs einen höheren Wirkungsgrad als IGBTs und bessere dynamische Eigenschaften sowie eine schnellere Reaktion.
Die Kosten sinken normalerweise, je weniger Bauteile ein System benötigt. Durch den Einsatz eines DSCs, der A/D-Wandler und PWM-Controller integriert, lässt sich die Anzahl der für einen Mikrowechselrichter benötigten Bauteile reduzieren. Zusätzlich können Entwickler die Bauteilzahl durch die Verwendung einer Umrichterschaltung mit Vollbrücke und einer nichtisolierten Verstärkungsschaltung deutlich verringern.

Auswahl von DSC und MOSFETs

Wie bereits erwähnt, wird ein DSC mit der Möglichkeit zur Ausführung von Algorithmen, mehreren PWM-Ausgängen und einem mehrkanaligen A/D-Wandler mit hoher Geschwindigkeit und Präzision benötigt. Die Bausteinfamilie »dsPIC33FJxxGSxx« von Microchip umfasst eine Gruppe von DSCs, die eine Verarbeitungsleistung von bis 40 MIPS, mehrere PWM-Ausgänge und einen 10-Bit-ADC mit einer Abtastrate von 4 MSample/s bieten. Die Mikrocontroller der »Piccolo«-Serie von Texas Instruments zeichnen sich durch ein 32-Bit-Bussystem, eine Verarbeitungsleistung von 50 MIPS, mindestens acht PWM-Ausgänge und einen 12-Bit-ADC mit einer Abtast-rate von 4,6 MSample/s aus. Die Piccolo-Serie ist die kostengünstige Version der MCUs der »C2000«-Serie, hat aber eine modernere 32-Bit-Architektur und verbesserte Peripherie. Zudem eignen sich die Piccolo-Bausteine durch die 32-Bit- 
Echtzeit-Steuermöglichkeit als Prozessoren für Mikrowechselrichter. 
Die in Mikrowechselrichtern genutzten MOSFETs sollten eine hohe Spannungsfestigkeit (üblicherweise mehr als 600 V) haben und einen Dauerstrom von einigen Ampere erlauben. Zusätzlich wäre eine kleine Bauform von Vorteil, um die Gesamtgröße des Mikrowechselrichters zu reduzieren. Der »STD3NK60ZT4« ist ein n-Kanal-MOSFET von STMicroelectronics. Dieses Produkt zeichnet sich durch eine Spannungsfestigkeit von bis 600 V, einen Dauerstrom von 2,4 A und ein kleines DPAK-Gehäuse aus. Der »NDD03N60ZT4G« von ON Semiconductors ist ein anderer passender n-Kanal-MOSFET, der die gleiche Spannungsfestigkeit und Gehäuse bietet wie der STD3NK60ZT4, aber einen Dauerstrom von 2,6 A erlaubt.

Rotorblatt-Verstellsystem

Über ein Rotorblatt-Verstellsystem oder auch Pitch-Regelung genannt lässt sich der Anstellwinkel der Flügel eines Windrads um deren Längsachse innerhalb eines gewissen Bereiches (normalerweise 0° bis 90°) einstellen. Kommt eine solche Pitch-Regelung zum Einsatz, arbeitet eine Windkraftanlage zuverlässiger und liefert eine stabilere Ausgangsleistung. Läuft eine Windturbine an oder ist die Windgeschwindigkeit niedriger als die Nenngeschwindigkeit, dann verändert das Verstellsystem den Anstellwinkel. Dadurch erhalten die Flügel das höchstmögliche aerodynamische Drehmoment für den Antrieb der Turbine, sodass diese schneller beschleunigen kann. Ist die Windgeschwindigkeit höher als der Nennwert, wird der Anstellwinkel reduziert, um sicherzustellen, dass die Generatoren eine niedrigere Ausgangsleistung als die Nennleistung liefern. Muss die Turbine gebremst werden, dann bringt die Pitch-Regelung die Flügel durch das Verstellsystem in die Segelstellung, sodass der höchste Strömungswiderstand erreicht wird und damit die Turbine schnell zum Stillstand kommt.

Ein Rotorblatt-Verstellsystem besteht aus einem Anemometer, einem 
Spannungs- und Stromsensor im Generator, einer Verarbeitungseinheit, Motortreiberschaltungen, Servomotoren, Drehgebern und einer Notstromversorgung (Bild 2). Das Anemometer sowie die Spannungs- und Stromsensoren des Generators messen die Windgeschwindigkeit und die Ausgangsleistung des Generators und senden diese Mess-daten an die Verarbeitungseinheit. Diese berechnet auf Basis der erhaltenen Informationen und eines Verstellalgorithmus‘ die erforderlichen Steueranweisungen. Die Motor-Treiberschaltungen geben diese 
An-weisungen an die Servomotoren weiter, die damit den Anstellwinkel der Rotorblätter verändern.

Designüberlegungen

Ein an jedem Rotorblatt montierter Drehgeber meldet den Verstellwinkel an die Verarbeitungseinheit zurück. Auf Basis der Informationen über den Anstellwinkel und der Daten von den anderen Sensoren kann das Rotorblatt-Verstellsystem die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine hochpräzise steuern und damit einen optimalen Leistungskoeffizienten der Windturbine sicherstellen. Das Rotorblatt-Verstellsystem nutzt ein CAN-Bussystem für die Kommunikation mit anderen Systemen. Die Notstromversorgung wird benötigt, um die Rotorblätter in Segelstellung zu bringen und damit die Windturbine abzubremsen, wenn die primäre Stromversorgung nicht verfügbar ist.
Es gibt drei wichtige Aspekte für das Design von Pitch-Regelungssystemen: 

  • Wie lässt sich die Präzision und Reaktionsgeschwindigkeit von Pitch-Regelungssystemen erhöhen und somit die maximale Ausgangsleistung erreichen? 
  • Wie lässt sich eine hochpräzise Steuerung implementieren, um den Anstellwinkel einzustellen? 
  • Wie lässt sich ein robustes Pitch-Regelungssystem realisieren, das auch in harten Umgebungen zuverlässig arbeitet? 

Aufgrund der stark nichtlinearen Eigenschaften von Pitch-Regelungen ist ein nichtlinearer vorausschauender Regelalgorithmus ideal, der auf einem genetischen Algorithmus basiert und sich durch eine schnelle Reaktion, Robustheit und hoher Störsicherheit auszeichnet. Dieser Algorithmus ist allerdings komplexer als andere, weshalb sich zur Realisierung der Steuerung eher ein DSP oder DSC anbietet als eine MCU. Außer einem entsprechenden Algorithmus ist hochpräzise Hardware, also Servomotoren, Drehgeber und Prozessoren, entscheidend für eine genaue Steuerung des Anstellwinkels. 
Windkraftanlagen werden meistens im Hochland oder Offshore errichtet, wo oftmals raue Wetterbedingungen vorherrschen. Für die Realisierung einer Pitch-Regelung, die stabil und zuverlässig in solchen Umgebungen arbeitet, müssen die Entwickler Bauteile für den industriellen 
Temperaturbereich auswählen.

Auswahl von Prozessor und Drehgeber

Die in Rotorblatt-Verstellsystemen verwendeten Prozessoren müssen mehrkanalige leistungsfähige ADCs und eine CAN-Busschnittstelle für die A/D-Wandung von mehreren analogen Eingängen und die Kommunikation mit anderen Systemen enthalten. Um komplexe Steueralgorithmen und die Prozessdaten von unterschiedlichen Sensoren verarbeiten zu können, müssen sie auch eine ausreichende Rechenleistung aufweisen. Außerdem werden mehrkanalige PWM-Ausgänge und Prozessoren mit einem industriellen Temperaturbereich für eine hochpräzise Steuerung der Servomotoren benötigt. Nur so lässt sich ein Normalbetrieb unter den Temperaturbedingungen von Windkraftanlagen gewährleisten.
Die IC-Familie »dsPIC33JxxxMC5/7« von Microchip umfasst 16-Bit-DSCs mit 12-Bit-A/D-Wandlern und verbessertem CAN-Bussystem 2.0B, die mehrere PWM-Ausgänge und eine Verarbeitungsleistung von bis zu 40 MIPS innerhalb des industriellen Temperaturbereiches von -40 °C bis +85 °C bieten. Die DSP-Serie »TMS320LF240x« von Texas Instruments enthält 10-Bit-ADCs, acht 16-Bit-PWM-Kanäle, CAN-Bus 2.0B und erreicht eine Verarbeitungsleistung von 30 MIPS. Die Bauteile sind in zwei Temperaturbereichen von -40 °C bis +85 °C und -40 °C bis +125 °C verfügbar.
Die verwendeten Drehgeber müssen eine hohe Auflösung haben, den industriellen Temperaturbereich abdecken und unempfindlich gegenüber Schock und Schwingung sein. Die Serie »AR62/AR63« von Hengstler besteht aus Absolutdrehgebern mit einer 28-Bit-Auflösung, Schockfestigkeit von 2000 m/s² und einer Vibrationsfestigkeit von 200 m/s², die innerhalb eines Temperaturbereichs von -40 °C bis 
+100 °C mit einer maximalen Drehgeschwindigkeit von bis 5000 Umdrehungen pro Minute arbeiten. Die Serie »HSD 37« von Hengstler bietet den gleichen Temperaturbereich wie die Serie AR62/AR63, hat aber eine andere Schock- und Vibrationsfestigkeit und Auflösung, die jeweils bei 500 m/s beziehungsweise 200 m/s² und 5000 Impulse pro Umdrehung liegt.

Über den Autor:

Denny Tang ist im Global Technology Centre von Farnell element14 tätig.