Isolationsbauteile integrieren
PV-Wechselrichter am Versorgungsnetz
An das Energienetz angeschlossene Wechselrichter, die mit Mikrotransformatoren ausgestattet sind, zeichnen sich durch reduzierte Systemabmessungen, niedrige Kosten sowie hohe Performance und Zuverlässigkeit aus.
Dabei wird im Wesentlichen zwischen zwei Typen von PV-Wechselrichter unterschieden: transformatorlose und transformatorisch isolierte Wechselrichter.
Wie Abbildung 1(a) zeigt, kann es bei transformatorlosen Wechselrichtern zu hohen Leckströmen und eingekoppelten DC-Strömen kommen, was auf große Panel-Kapazitäten und eine fehlende Isolation zwischen PV-Panel und AC-Netzspannung zurückzuführen ist. Da der in das Spannungsnetz eingespeiste Gleichspannungsanteil von AC-Strömen Verteilungstransformatoren potenziell sättigen kann, gibt es in vielen Sicherheitsstandards strenge Regeln für die zulässige Höhe. Zudem ist in manchen Fällen eine transformatorische Isolation Pflicht.
Die transformatorische Isolation zwischen dem Panel und dem Versorgungsnetz könnte einen DC-Injektionspfad, der aus der Spannungsdifferenz des Panels in Bezug auf das Versorgungsnetz entsteht, eliminieren (Abbildung 1(b)). Jedoch müssen an das Versorgungsnetz angeschlossene Wechselrichter neben der DC-Einkopplung weitere Anforderungen hinsichtlich der Netzspannung erfüllen. Dazu zählen beispielsweise Oberwellen bei Spannung und Strom (harmonisch), Leistungsfaktoren und die Erkennung des »Inselbetriebs« (autarker Betrieb).
Die Netzspannung und der eingespeiste Strom sind exakt zu überwachen. Falls der Controller, der MPPT und Gate-Treiber-Funktionen ausführt, auf der Panelseite sitzt, sind diese Messungen zu isolieren. Um das PV-Panel mit maximaler Effizienz zu betreiben, sind Algorithmen für maximales Power-Point-Tracking (MPPT) zu verwenden. Außerdem sind für das MPPT Panel-Spannung und Strom zu überwachen. Werden viele PV-Panel in Reihe geschaltet, um die Zahl der erforderlichen Wechselrichtern zu minimieren, kann es zu einer sehr hohen Spannung kommen. Hier ist die Strommessung am High-Side-Anschluss der PV-Panels ebenfalls zu isolieren. Neben der isolierten Strom- und Spannungsmessungen sind auch einige Schnittstellen wie RS485, RS232 und CAN erforderlich. Um Leistungsdaten in Echtzeit zu erhalten, werden zur Kommunikation mit den PV-Wechselrichtern oftmals die Schnittstellen RS485 und RS232 verwendet. Hier ist der Kommunikationsbus wegen der großen Entfernung aus Sicherheitsgründen zu isolieren.
Ein isolierter CAN-Bus lässt sich jedoch auch für die Kommunikation über geringere Entfernungen nutzen. Dort wo Transceiver eine isolierte Versorgungsspannung benötigen ist die Panel-Seite von der Bus-Seite zu trennen, was oftmals mit Optokopplern realisiert wird. Allerdings lässt die Stromübertragungsfunktion der Optokoppler mit der Zeit nach, so dass diese eine wesentlich kürzere Lebensdauer haben, als die 20-jährige Garantie für Solarpanels.
Dagegen erfüllt eine auf Mikrotransformatoren basierte Signal- und Leistungs-Isolation eine Vielzahl von Integrationsanforderungen. So kann das System nicht nur die Begrenzung der Lebensdauer für die Optokoppler umgehen, sondern erlaubt auch die Integration von Sensorfunktionen wie ADCs und Interface-Funktionen wie Gate-Treiber, RS485 oder RS232 Transceiver. Außerdem bietet das System eine isolierte Spannungsversorgung der Sensor-ICs sowie isolierte Transceiver und Gate-Treiber. Es ist jedoch zu beachten, dass die auf Optokoppler basierenden leistungshungrigen Gate-Treiber unter großen Abweichungen des Gate-Treiber-Timings leiden. Gate-Treiber, die auf Mikrotransformatoren basieren, haben dagegen nicht nur einen wesentlich geringeren Energiebedarf, sie bieten auch ein deutlich optimiertes Gate-Treiber-Timing, was zu einer höheren Wandlungseffizienz führt. Die Integration isolierter Signal- und Leistungsübertragung reduziert daher die Zahl der Komponenten, verringert die Systemkosten und erhöht die Zuverlässigkeit.
- PV-Wechselrichter am Versorgungsnetz
- Signal- und Leistungstrennung mit Mikrotransformatoren
- Isolation in PV-Wechselrichter integrieren
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