Wie Hersteller von Photovoltaik-Umrichtern und Strommesswandlern voneinander profitieren können
Strommesswandler - das Herzstück des PV-Umrichters
Wer sich im engen Photovoltaikmarkt erfolgreich positionieren will, ist gut beraten, sich frühzeitig über technische Innovationen vom Mitbewerb zu differenzieren. So kann z.B. eine enge Zusammenarbeit zwischen Umrichter- und Strommesswandler-Herstellern eine gute Basis für die Entwicklung neuer Technologien bieten.
Regierungen und Stromversorger weltweit erwarten, dass in absehbarer Zukunft ein nennenswerter Anteil ihrer Energielieferungen aus Photovoltaik-Systemen (PV) stammen wird. Entsprechend leistungsfähig müssen die Umrichter sein, die den Ausgangsgleichstrom der Solarzellen in netzsynchrone Wechselspannung umwandeln: Sie müssen über einen weiten Bereich von Leistungen und Betriebsbedingungen höchsten Wirkungsgrad liefern und zugleich strengen Sicherheitsanforderungen genügen. Ihre Leistung beruht auf der hochpräzisen Messung grundlegender elektrischer Parameter. Um hier kontinuierlich auf dem aktuellen Stand zu sein, ist eine enge Zusammenarbeit zwischen den Herstellern von Photovoltaik-Umrichtern und Strommesswandlern wichtig.
Nach Überzeugung des Messwandler-Herstellers LEM hat die Tatsache, dass Solarenergie künftig auf vielen Ebenen - von großen, mehrere Hektar umfassenden Installationen bis zu kleinen Installationen für einzelne Haushalte - zum Einsatz kommen wird, zu einem starken Marktwachstum für PV-Umrichter geführt. »Selbst in der gegenwärtigen Wirtschaftskrise erwartet man auf dem Photovoltaik-Markt einen Umsatz von 34 Milliarden US-Dollar bis zum Jahr 2013«, erklärt Stéphane Rollier, Product Manager, Industrial Division von LEM. Relativ neu bei den Überlegungen sei jedoch die Erwartung, dass Installationen aller Größenordnungen tatsächlich auch an das Netz angeschlossen sein sollen: Entsprechend müssten sogar Haustechnik-Systeme für einen einzigen Haushalt Strom in das Netz einspeisen und verkaufen können, sobald sie mehr Leistung erzeugen als die lokalen Lasten verbrauchen.
»Wenn Photovoltaik-Systeme ihr Potenzial ausschöpfen sollen, muss ihr elektrischer Wirkungsgrad steigen, so dass die Kosten pro Kilowatt sinken«, erklärt Rollier. »Die Solarzellenhersteller bemühen sich kontinuierlich um höhere Wirkungsgrade bei der Umwandlung von Sonnenstrahlen in elektrische Leistung, und die Produzenten von Photovoltaiksystemen entwickeln dafür eine neue Umrichter-Generation mit mehr Leistung und Intelligenz, höherem Wirkungsgrad und einem breiteren Funktionsumfang für zusätzliche Diagnosefunktionen.« Eine der neuesten Entwicklungen dabei ist Multi-Stringing, eine Technik, bei der die Energieausbeute durch Zusammenschaltung mehrerer Ketten seriell geschalteter Solarzellen an einen einzelnen Umrichter optimiert wird, wobei jede Kette mit einer eigenen MPPT-Schaltung (Maximum Power Point Tracking) ausgestattet ist.
Die Aufgabe des Strommesswandlers
Als Energiequelle benötigt die Solarzelle eine komplexe Steuerung. Im Leerlauf erzeugt sie eine Nennspannung von ungefähr 0,6 V. Meist enthält ein Solarpanel bis zu 72 Zellen und liefert damit eine Leerlaufspannung von 44 V. »Im Kurzschlussfall liefert eine Zelle einen bestimmten Strom«, erklärt der Experte. »Bei einem bestimmten Arbeitspunkt, definiert durch einen optimalen Spannungs- und Stromwert, zwischen diesen Extremwerten liefert die Zelle ihre maximale Leistung. Bei variierenden Betriebsbedingungen, etwa der Intensität einfallender Sonnenstrahlung, verändert sich der Arbeitspunkt. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu sichern, muss der Umrichter diese Parameter überwachen. Dazu nutzt er einen Software-Algorithmus sowie Spannungs- und Stromwandler für eine Echtzeit-Datenerfassung.« Der Messwandler überwacht den in das Netz eingespeisten Umrichter-Ausgangsstrom mit typischen Werten von 15 - 50 Aeff. Dabei dient das Wandler-Ausgangssignal als Rückkopplung für den Controller. Dieser steuert damit die Pulsbreitenmodulation für die Sinuswellen-Erzeugung. Im Controller arbeiten Mikroprozessoren oder DSPs mit +5 V Versorgungsspannung, die gemeinsam mit anderen aktiven Komponenten des elektronischen Steuersystems auf Spannungsreferenzen zugreifen.
Die Strom-Messwandler »HMS« von LEM nutzen eine +5-V-Versorgungsspannung und stellen ihre interne Referenzspannung (2,5 V) an einem separaten Pin bereit - dadurch können sie einfach mit DSPs oder Mikrocontrollern zusammenarbeiten. Darüber hinaus können sie auch eine externe Referenz (1,5 bis 2,8 V) der gleichen DSPs nutzen, von denen sie dann ihre eigene Referenzspannung ableiten. Dies ermöglicht eine bessere Effizienz für die gesamte Anwendung und erlaubt eine Kompensation der Referenzspannungs-Drift bei der Fehlerberechnung.
Eine Frage der Sicherheit
Die in Solarpanels verwendeten Umrichter sind entweder über einen Transformator mit dem Netz verbunden oder nutzen ein transformatorloses Design für den Direktanschluss. »Transformator-gestützte Umrichter nutzen je nach Topologie einen Netzfrequenz-Transformator am Netzanschlusspunkt oder einen Hochfrequenz-Übertrager am Isolationspunkt innerhalb der Umrichterschaltung«, führt Rollier aus. »Schaltungen mit Niederfrequenztransformatoren bieten zwar konstruktionsbedingt Schutz gegen eine Einspeisung von Gleichströmen in das Wechselspannungsnetz, besitzen aber aufgrund der Transformatorverluste einen niedrigeren Wirkungsgrad. Die Wechselspannung am Umrichter-Ausgang kann z.B. eine Gleichstrom-Komponente besitzen, was u.a. an einer ungenauen IGBT-Ansteuerung liegen kann. Ein Gleichstrom-Offset beim Strom-Messwandler in der Umrichter-Steuerschleife würde ebenfalls eine Gleichstromkomponente am Ausgang erzeugen. Daher sollte jeder Offset so klein wie möglich sein.« Für die zulässigen, in das Netz eingespeisten Gleichstrompegel gibt es sehr strenge Spezifikationen, leider schreibt jedes Land jedoch andere Grenzwerte vor. Diese sind manchmal als Prozentsatz des Nennstroms und manchmal als absoluter Grenzwert spezifiziert. »Auf jeden Fall erfordert dies die Messung sehr kleiner Gleichströme bei gleichzeitigem Vorhandensein großer Wechselströme mit minimalem Offset und geringster Drift«, so Rollier.
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