Mikrocontroller für Wechselrichter Hilfe bei der µC-Wahl für PV-Inverter

Auf dem wachstumsverwöhnten Photovoltaikmarkt wird der internationale Wettbewerb härter und zwingt die Hersteller zu Innovationen und Preisanpassungen bei den Systemkomponenten. Einer der Schlüsselbausteine in Solarwechselrichtern ist der Mikrocontroller. Bei der Auswahl des geeigneten Bausteins hilft ein Distributor mit Solar-Know-how.

Als herstellerunabhängiger Berater bietet der Distributor Rutronik den Entwicklern fundierte Unterstützung bei Auswahl und Design-In technologisch und kommerziell geeigneter Komponenten.

Voraussetzung hierfür sind jedoch umfassende Kenntnisse nicht nur über die Bauelemente, sondern auch über die Gesamtanwendungen und den Markt.

Dieses Know-how vereint Rutronik in seinem Vertical-Market-Team »Renewable Energy«, in dem Produktingenieure und FAEs (Field Application Engineers) aus den Bereichen Aktive Bauelemente, Passive Bauelemente und Elektromechanik mit Wireless- und Display-Spezialisten eng zusammenarbeiten.

So beschäftigen sie sich auch intensiv mit Photovoltaik-Invertern. Eine der Schlüsselkomponenten, die den Wirkungsgrad dieser Wechselrichter wesentlich beeinflussen kann, ist der Mikrocontroller.

Bild 1 zeigt die Funktionsblöcke eines typischen Solarinverters mit einem String aus Photovoltaik-Modulen (PV): Einem DC/DC-Wandler mit »Maximum Power Point Tracking« (MPPT) ist ein DC/AC-Netzwechselrichter nachgeschaltet.

Dieser Inverter ist je nach Netzanschlussleistung einphasig mit H-Brücke oder dreiphasig mit 6-Puls-Brücke ausgelegt.

Relativ neu in der Diskussion sind Mikroinverter, also kleine Solarinverter, die direkt an jedem PV-Modul montiert sind.

Diese Mikroinverter sind wegen der zu erwartenden Stückzahlen besonders preissensibel.

Auch der Baugröße kommt hier mehr Bedeutung zu als bei konventionellen String-Solarwechselrichtern. Der Mikrocontroller, der den Inverter steuert, muss folgende Funktionen bereitstellen:

  • Messung und Analog/Digital-Umsetzung von Zustandsgrößen wie Temperaturen, Strömen und Spannungen.
  • Maximum-Power-Point-Tracking (MPPT) - der Mikrocontroller multipliziert Strom und Spannung zur elektrischen Leistung.
  • Schutzfunktionen bei Fehlern wie Übertemperatur, Überstrom etc. - hier sind schnelle Abschaltmechanismen gefordert, die das Gerät und den Betreiber schützen.
  • Phasengenaue Netzsynchronisierung, wozu der momentane Netzwinkel zu ermitteln ist.
  • Diverse Regelkreise, je nach mathematischem Modell. Dabei laufen ähnliche Berechnungen ab, wie sie auch für die feldorientierte Regelung von AC-Antrieben zur Anwendung kommen. Das sind insbesondere trigonometrische Rechenoperationen, die Spannungs- und Stromzeiger in verschiedene teilweise rotierende Koordinatensysteme hin- und rücktransformieren.
  • Erzeugung der Ansteuersignale für die Leistungshalbleiter auf eine Weise, dass der Wirkungsgrad möglichst hoch ist und wenig Oberwellen entstehen. Hierfür sind entsprechende PWM-Timer (Pulsbreitenmodulation) oder Zweipunktregler mit Hysterese erforderlich.
  • Bedienschnittstellen und Kommunikation. Bei Mikroinvertern bieten sich als Physical Layer besonders die Leistungskabel an, also »Powerline Communication« (PLC).

Die Anforderungen sind ganz ähnlich denen für die Ansteuerung von elektrischen Antrieben. Dem Motor, den der Solarinverter antreibt, entspricht dabei der Synchrongenerator im Energieversorgungsunternehmen. Derzeit bieten alle großen Hersteller Mikrocontroller an, die sich für den Einsatz in Invertern eignen. Da sie auf verschiedenen Technologien basieren, weisen sie unterschiedliche Stärken und Schwächen auf.