4. Anwendungen für erneuerbare Energien · Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe 4.2.1 Aufbau von Photovoltaikanlagen 14V0621 Leistungselektronik II Bild 2-4.2

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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Le

istu

ngse

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4.2.1 Aufbau von Photovoltaikanlagen

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Bild 1-4.2 PV-Kraftwerk (Quelle: SMA)

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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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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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Le

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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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Le

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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

06

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)


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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Le

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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.


• Potentialverhältnisse für PV-Module und Erdung siehe unten.


1 ≈

=

=

1 ≈

1 ~

=

m·s

MPP-Tracker & Wechselrichter

Potential- trennung

Wechsel- richter

Potential- trennung


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).


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


•Strangbezogenes MPP-Tracking mit vorgeschalteten potential- verbindenden Gleichstromstellern (üblich: Hochsetzsteller).


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


Filter PE

3 ~

=

PVG

3 ~

=

PVG


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




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Bild 14-4.2: Einphasiger PV-Wechselrichter in Halbbrückenschaltung (5-Level; REFU)

5-Level-Schaltung:




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Bild 15-4.2: Einphasiger PV-Wechselrichter in „H5“-Vollbrückenschaltung (SMA)

Einphasige PV-Wechselrichter in Vollbrückenschaltung

iN


LN LN



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Bild 16-4.2: Einphasiger PV-Wechselrichter in „HERIC“-Vollbrückenschaltung (SUNWAYS)

iN


LN LN



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Bild 17-4.2: Dreiphasiger PV-Wechselrichter in Halbbrückenschaltung (3-Level-NPC)

Dreiphasige PV-Wechselrichter

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