Schutzfunktionen in PV-Wechselrichtern Zwei Kerne statt zwei Prozessoren

Schutzfunktionen in PV-Wechselrichtern: Zwei Kerne statt zwei Prozessoren
Schutzfunktionen in PV-Wechselrichtern: Zwei Kerne statt zwei Prozessoren

PV-Wechselrichter werden zur Sicherheit redundant überwacht; was bisher einen weiteren Mikrocontroller für die Überwachung erforderte. Mit einem neuen Mixed-Signal-Mikrocontroller mit zwei Prozessorkernen lassen sich alle Steuerungs-, Regelungs- und Überwachungsfunktionen auf einem Chip realisieren.

Waren die letzten Jahre von den fallenden Preisen der Photovoltaikmodule geprägt, so wird der nächste große Schub für PV-Wechselrichter von den Fortschritten im Bereich der Leistungshalbleiter getrieben sein. Die Entwicklung schnellschaltender Leistungstransistoren auf Basis von Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) wird, dank der höheren Betriebsgleichspannung bis zu 1600 V, den schon heute eingesetzten Multilevel-Topologien zu noch größerer Leistung verhelfen. Eine höhere Schaltfrequenz bedeutet, dass die passiven Bauelemente in den Leistungsstufen eines PV-Wechselrichters bedeutend kleiner ausfallen – allen voran die Induktivitäten, aber zu einem gewissen Maß auch die Kondensatoren. Somit lassen sich Masse, Volumen und Kosten bei PV-Wechselrichtern einsparen – enorme Vorteile für die weitere Ausdehnung des Marktes für PV-Anlagen. Hinsichtlich des Wirkungsgrades von PV-Wechselrichtern ist kaum noch eine Steigerung möglich, das Ende der Fahnenstange ist erreicht. Nun beginnt der Wettlauf um das beste Verhältnis Leistung zu Volumen – ein ganz neues Feld für die Kostenoptimierung von PV-Wechselrichtern, ohne bei den elektrischen Eigenschaften Abstriche machen zu müssen.

Daraus resultiert aber auch, dass die neuen Leistungstransistoren einen erheblichen Einfluss auf die anderen Komponenten des PV-Wechselrichters haben, auch in der Regelschaltung und der Verarbeitung der Messsignale. Kleinere und höherfrequent getaktete Wandler erfordern Verbesserungen über die gesamte Ansteuerung und die Regelstrecke des Leistungswandlers hinweg – eine schnellere Signalverarbeitung und eine bessere Integration der Komponenten. Allerdings steigen mit dem Verkleinerungstrend die Herausforderungen um die vorgeschriebenen Sicherheitsanforderungen für PV-Wechselrichter zu realisieren. So wird zum Beispiel die Aufgabe, gefährliche Spannungen zu isolieren, bei kleiner werdenden Abmessungen viel komplexer, zumal die Wechselrichter gleichzeitig in immer höhere Spannungsklassen vorstoßen.

Zwar sind PV-Module der sichtbarste Teil einer Photovoltaikanlage, jedoch ist der PV-Wechselrichter der komplexere Teil der Kette – quasi das Gehirn zur Steuerung des PV-Systems. Ein PV-Wechselrichter muss sorgfältig entwickelt und konstruiert werden, um die Schaltungen zur Strom- und Spannungsmessung und auch die Mikrocontrollerschaltung vor Störeinflüssen aus den Leistungsstufen zu schützen – z.B. vor Transienten, verursacht von den hochfrequenten Schaltvorgängen. Doch dieser Schutz verursacht Kosten – mehrere redundant betriebene, galvanisch trennende Komponenten erhöhen die Kosten und die Komplexität. Besonders erschwerend ist dabei, dass die Prozessoren und Speicher, die zur Ausführung der immer anspruchsvolleren Regel- und Sicherheits-Algorithmen erforderlich sind, eigenen Sicherheitsanforderungen im Hinblick auf die Code-Integrität unterliegen. Hinzu kommen die benötigten Zertifizierungen. Sie stellen zusätzliche Anforderungen, mit denen sich alle Entwickler auseinandersetzen müssen. Es gibt eine ganze Reihe von Vorschriften, die eingehalten werden müssen, beispielsweise Schutzabschaltungen und die erneute Inbetriebnahme betreffend. Wie schnell ein PV-Wechselrichter reagieren muss, wie kurzzeitige Netzspannungsabsenkungen (Brown-out) gegenüber Stromausfällen (Black-out) gehandhabt werden sollen, wie schnelle Abschaltungen behandelt werden, was bei einem Lichtbogen geschehen soll, sind weitere Beispiele von Anforderungen, die Entwickler von Wechselrichtern meistens sogar länderspezifisch berücksichtigen müssen. Da sich durch die erforderliche Zertifizierung die Entwicklungszeit und damit auch die Kosten erhöhen, sind bereits zertifizierte Komponenten und Methoden besonders attraktiv. Die gewählten Komponenten und Methoden müssen allerdings eine Anpassung an länderspezifische Sicherheitsvorschriften ermöglichen.

Lösen lässt sich diese Problematik durch die Nutzung einer PV-Wechselrichterplattform, die fortschrittliche Mixed-Signal-Mikrocontroller für die Steuerung und Regelung sowie galvanisch trennende Bausteine für die Strommessung und die Gate-Treibersignale enthalten.