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Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe
Leistungselektronik II
4.1 Windenergieanlagen (WEA) 4.1.1 Aufbau von Windenergieanlagen 4.1.2 Generatoren und deren Betrieb 4.1.3 Topologien selbstgeführter Gleich- u. Wechselrichter
4.2 Photovoltaikanlagen (PVA) 4.2.1 Aufbau von Photovoltaikanlagen 4.2.2 PV-Generatoren und deren Betrieb 4.2.3 Wechselrichter für Photovoltaikanlagen
4.3 Netzanbindung 4.3.1 Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) 4.3.2 Blindleistungs-Beeinflussung
4. Anwendungen für erneuerbare Energien
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Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe
4.2.1 Aufbau von Photovoltaikanlagen
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Bild 1-4.2 PV-Kraftwerk (Quelle: SMA)
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4.2.1 Aufbau von Photovoltaikanlagen
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Bild 2-4.2 Zell-Kennlinien bei unterschiedlicher ... (a) ...Intensität der Bestrahlung (Temperatur = 25°C); (b) ...Temperatur (Bestrahlung = 1000W/m²) (Quelle: G. Schenke, Photovoltaik und Solartechnik)
Grundelement des PV-Generators •PV-Zelle (Solarzelle) = großflächige Photodiode
•U-I-Kennlinie abhängig von - Zelltechnologie, Geometrie und Aufbau - Herstellprozess mit seinen Toleranzen - Zustand (Alterung, Degradation) - Bestrahlung und Temperatur
UZ
IZ
IZ /A
UZ /V
IZ /A
UZ /V
(a) (b)
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4.2.1 Aufbau von Photovoltaikanlagen
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Bild 4-4.2 (a) PV-Strang (b) Symbol
PV-Modul •Reihenschaltung von m PV-Zellen zu einem PV-Modul (übliche Werte m = 10...36...70)
PV-Strang („String“) •Reihenschaltung von s PV-Modulen zu einem PV-Strang •Bypass-Diode zu jedem PV-Modul zur Vermeidung ... - von hoher Verlustleistung in verschatteten Zellen, - eines Leistungseinbruchs, wenn ein Modul im Strang verschattet ist.
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Bild 3-4.2 (a) PV-Modul mit (b) Symbol Bypass-Diode
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4.2.1 Aufbau von Photovoltaikanlagen
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Bild 5-4.2 Beispiel: String mit 20 Modulen (a) ohne und (b) mit Bypass-Dioden
Funktion der Bypass-Dioden
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4.2.1 Aufbau von Photovoltaikanlagen
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Bild 6a-4.2 PV-Generator
PV-Generator •Parallelschaltung von g gleichartigen PV-Strängen zu einem PV-Generator.
•Strang-Dioden zur Vermeidung von hoher Verlustleistung in verschatteten oder defekten Strängen.
•Strang-Dioden werden oft weggelassen, da Betriebsspannung von PV-Zellen, PV-Modulen und PV-Strängen wenig variiert.
PVG Bild 6b-4.2 PV-Generator: Symbol
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Merkmale der PVA •Gesamtfläche der PV-Zellen groß (viele m²). •PV-Zellen in geerdetem Modulgehäuse montiert. •=> große Kapazität zwischen PVG und Erde (PE) wirksam. •Dünnschicht-PV-Zellen degradieren (z.T. irreversibel), wenn ihr Potential negativ gegenüber PE ist.
Daraus resultierende Anforderungen an den PV-Wechselrichter •hochfrequente Spannungen oder Spannung mit hohem du/dt zwischen PVG und PE sind wegen der resultierenden Ableitströme (Ströme zwischen PVG und PE) unzulässig.
•Spannung zwischen PVG und PE möglichst positiv. In dieser Vorlesung nicht betrachtet •Einrichtungen für Anlagenschutz (Sicherungen, Schalter) •Einrichtungen für Personenschutz (z.B. AFI-Schalter) •Steuer- und Regeleinrichtungen (z.B. zum MPP-Tracking, zur Netzstromregelung oder zur Einhaltung der Netzanschlussbedingungen)
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4.2.2 PV-Generatoren und deren Betrieb
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Bild 7-4.2: PVA mit Modulwechselrichtern
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•Ein Modulwechselrichter pro PV-Modul mit - Potentialtrennung über HF-Transformator (fPWM > 20 kHz), - modulbezogenem MPP-Tracking, - einphasiger Einspeisung in ein- oder dreiphasiges Netz (Module verteilt auf alle drei Phasen).
•Potentialverhältnisse für PV-Module günstig; Erdung des Modul-Minus-Pols möglich.
•Wirkungsgrad ca.92% wg. Mehrstufigkeit.
•Spezifische Kosten wg. hohem gerätetechnischem Aufwand.
PVA mit Modulwechselrichtern
m 1 ≈
=
=
1 ≈
1 ~
=
m 1 ≈
=
=
1 ≈
1 ~
=
m 1 ≈
=
=
1 ≈
1 ~
=
Netz MPP- Tracker
Potential- trennung
Wechsel- richter Filter
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Bild 8-4.2: PVA mit Strangwechselrichter (drei Ausführungsformen)
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Strangwechselrichter mit HF-Transformator
Netz
1 ~
=
m·s
Netz
1 ~
=
m·s
Netz
Strangwechselrichter mit Netz-Transformator
Strangwechselrichter ohne Transformator
• strangbezogenes MPP-Tracking. • Einphasige Einspeisung in ein-
oder dreiphasiges Netz (ggf. mehrere Stränge verteilt auf alle drei Phasen).
PVA mit Strangwechselrichter
• Potentialverhältnisse für PV-Module günstig; Erdung des Strang-Minus-Pols möglich.
• Wirkungsgrad ca. 94%. • Spezifische Kosten . • Baugröße u. Gewicht .
• Potentialverhältnisse für PV-Module günstig; Erdung des Strang-Minus-Pols möglich.
• Wirkungsgrad ca. 96%. • Spezifische Kosten . • Baugröße u. Gewicht .
• Potentialverhältnisse für PV-Module und Erdung siehe unten.
• Wirkungsgrad ca. 98%. • Spezifische Kosten . • Baugröße u. Gewicht .
1 ≈
=
=
1 ≈
1 ~
=
m·s
MPP-Tracker & Wechselrichter
Potential- trennung
Wechsel- richter
Potential- trennung
MPP-Tracker & Wechselrichter
Filter
Filter
Filter
MPP- Tracker
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Bild 9-4.2: PVA mit Multistrangwechselrichter
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Netz
• strangbezogenes MPP-Tracking mit vorgeschalteten potential- verbindenden Gleichstromstellern (üblich: Hochsetzsteller).
•dadurch Wirkungsgrad ↓.
PVA mit Multistrangwechselrichter (mit/ohne Netztransformator)
m·s =
=
1 ~
=
m·s =
=
MPP- Tracker
bei Bedarf: Potential- trennung Wechsel-
richter Filter
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Bild 10-4.2: PVA mit Multistrangwechselrichter
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Filter
Netz
1 ~
=
1 ≈
=
=
1 ≈
m·s
1 ≈
=
=
1 ≈
m·s
MPP- Tracker
Potential- trennung
Wechsel- richter
• strangbezogenes MPP-Tracking mit vorgeschalteten potential- trennenden Gleichstromstellern (üblich: Durchflusswandler oder Resonanzwandler).
•dadurch Wirkungsgrad ↓.
PVA mit Multistrangwechselrichter (mit HF-Transformator)
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Bild 11-4.2: PVA mit Zentralwechselrichter (zwei Ausführungsformen)
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•Einfachste Ausführung für große Anlagen.
PVA mit Zentralwechselrichter (mit/ohne Netztransformator)
bei Bedarf: Potentialtrennung
Netz Filter PE
3 ~
=
PVG
MPP-Tracker & Wechselrichter
•Strangbezogenes MPP-Tracking mit vorgeschalteten potential- verbindenden Gleichstromstellern (üblich: Hochsetzsteller).
•dadurch Wirkungsgrad ↓.
PVA mit Zentralwechselrichter mit Multi-MPP-Tracker (mit/ohne Netztransformator)
MPP- Tracker
bei Bedarf: Potentialtrennung Wechsel-
richter
Netz
Filter
m·s =
=
3 ~
=
m·s =
=
PE
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Bild 12-4.2: PV-Kraftwerk
12
•Einfachste Ausführung für sehr große Anlagen.
PV-Kraftwerk mit mehreren Zentralwechselrichtern
Mittelspannungs- transformator
Mittel- spannungs-
netz
MPP-Tracker & Wechselrichter
Filter PE
3 ~
=
PVG
3 ~
=
PVG
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4.2.3 Wechselrichter für Photovoltaikanlagen
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Bild 13-4.2: Einphasige PV-Wechselrichter in Halbbrückenschaltung; a) 2-Level; b) 3-Level-NPC
(a) (b)
Einphasige PV-Wechselrichter in Halbbrückenschaltung
Netz mit (Stern-) Spannung UN
Netz mit (Stern-) Spannung UN
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4.2.3 Wechselrichter für Photovoltaikanlagen
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Bild 14-4.2: Einphasiger PV-Wechselrichter in Halbbrückenschaltung (5-Level; REFU)
5-Level-Schaltung:
Netz mit (Stern-) Spannung UN
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4.2.3 Wechselrichter für Photovoltaikanlagen
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Bild 15-4.2: Einphasiger PV-Wechselrichter in „H5“-Vollbrückenschaltung (SMA)
Einphasige PV-Wechselrichter in Vollbrückenschaltung
iN
Netz mit (Stern-) Spannung UN
LN LN
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4.2.3 Wechselrichter für Photovoltaikanlagen
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Bild 16-4.2: Einphasiger PV-Wechselrichter in „HERIC“-Vollbrückenschaltung (SUNWAYS)
iN
Netz mit (Stern-) Spannung UN
LN LN