Das Funktionsprinzip und die Eigenschaften des Photovoltaik-Wechselrichters

Das Funktionsprinzip des Wechselrichters:

Der Kern des Wechselrichtergeräts ist der Wechselrichterschaltkreis, kurz Wechselrichterschaltung genannt. Die Schaltung vervollständigt die Wechselrichterfunktion, indem sie den leistungselektronischen Schalter ein- und ausschaltet.

Merkmale:

(1) Es ist ein hoher Wirkungsgrad erforderlich.

Da Solarzellen derzeit sehr teuer sind, müssen wir versuchen, die Effizienz des Wechselrichters zu verbessern, um die Nutzung der Solarzellen zu maximieren und die Effizienz des Systems zu steigern.

(2) Es ist eine hohe Zuverlässigkeit erforderlich.

Derzeit werden Photovoltaik-Kraftwerkssysteme vor allem in abgelegenen Gebieten eingesetzt, und viele Kraftwerke sind unbeaufsichtigt und werden nicht gewartet. Daher muss der Wechselrichter eine vernünftige Schaltungsstruktur und eine strenge Komponentenauswahl aufweisen und über verschiedene Schutzfunktionen verfügen, wie etwa: Verpolungsschutz am DC-Eingang, Kurzschlussschutz am AC-Ausgang, Überhitzungs- und Überlastungsschutz usw.

(3) Die Eingangsspannung muss einen größeren Anpassungsbereich aufweisen.

Da die Klemmenspannung der Solarzelle mit der Belastung und der Sonneneinstrahlung variiert, schwankt sie insbesondere bei alternder Batterie stark. Beispielsweise kann die Klemmenspannung einer 12-V-Batterie zwischen 10 V und 16 V schwanken, was einen normalen Betrieb des Wechselrichters innerhalb eines großen DC-Eingangsspannungsbereichs erfordert.

Klassifizierung von Photovoltaik-Wechselrichtern:

Wechselrichter lassen sich auf vielfältige Weise klassifizieren. Beispielsweise unterscheidet man nach der Anzahl der Phasen der vom Wechselrichter ausgegebenen Wechselspannung zwischen Einphasen- und Dreiphasenwechselrichtern, Transistor-, Thyristor- und abschaltbaren Thyristorwechselrichtern. Je nach Schaltungsprinzip unterscheidet man zwischen selbsterregten Schwingungswechselrichtern, Stufenwellen-Überlagerungswechselrichtern und Pulsweitenmodulationswechselrichtern. Je nach Anwendung in netzgekoppelten oder netzunabhängigen Systemen unterscheidet man zwischen netzgekoppelten und netzunabhängigen Wechselrichtern. Um Anwendern optoelektronischer Geräte die Auswahl zu erleichtern, werden die Wechselrichter hier nach den verschiedenen Einsatzzwecken klassifiziert.

1. Zentraler Wechselrichter

Bei der zentralen Wechselrichtertechnologie werden mehrere parallel geschaltete Photovoltaik-Stränge an den Gleichstromeingang desselben zentralen Wechselrichters angeschlossen. Üblicherweise werden dreiphasige IGBT-Leistungsmodule für hohe Leistungen und Feldeffekttransistoren für niedrige Leistungen eingesetzt. Der DSP wandelt den Regler um, um die Qualität des erzeugten Stroms zu verbessern und ihn einer Sinuswelle sehr nahe zu bringen, wie sie typischerweise in Systemen für große Photovoltaik-Kraftwerke (> 10 kW) verwendet wird. Der größte Vorteil liegt in der hohen Leistung des Systems bei niedrigen Kosten. Da jedoch Ausgangsspannung und -strom verschiedener PV-Stränge oft nicht vollständig aufeinander abgestimmt sind (insbesondere bei teilweiser Blockierung der PV-Stränge durch Bewölkung, Schatten, Verschmutzung usw.), wird der zentrale Wechselrichter eingesetzt. Die veränderte Vorgehensweise führt zu einer Verringerung der Effizienz des Wechselrichterprozesses und einer Verringerung des Energieverbrauchs der Stromverbraucher. Gleichzeitig wird die Zuverlässigkeit der Stromerzeugung der gesamten Photovoltaikanlage durch den schlechten Betriebszustand einer Photovoltaik-Anlagengruppe beeinträchtigt. Die neueste Forschungsrichtung ist die Verwendung der Raumzeigermodulationssteuerung und die Entwicklung neuer topologischer Verbindungen von Wechselrichtern, um unter Teillastbedingungen eine hohe Effizienz zu erreichen.

2. String-Wechselrichter

Der Stringwechselrichter basiert auf dem modularen Konzept. Jeder PV-Strang (1–5 kW) durchläuft einen Wechselrichter, hat die maximale Leistungsspitzennachführung auf der DC-Seite und ist auf der AC-Seite parallel geschaltet. Der beliebteste Wechselrichter auf dem Markt.

Viele große Photovoltaik-Kraftwerke nutzen String-Wechselrichter. Der Vorteil: Sie sind unabhängig von Modulunterschieden und Verschattungen zwischen den Strings und reduzieren gleichzeitig die Fehlanpassung zwischen dem optimalen Betriebspunkt der Photovoltaik-Module und des Wechselrichters, was die Stromerzeugung steigert. Diese technischen Vorteile senken nicht nur die Systemkosten, sondern erhöhen auch die Systemzuverlässigkeit. Gleichzeitig wird das „Master-Slave“-Konzept zwischen den Strings eingeführt. Dadurch kann das System mehrere Gruppen von Photovoltaik-Strings miteinander verbinden und einen oder mehrere davon unter der Bedingung betreiben, dass ein einzelner String nicht mit Strom versorgt wird. Dadurch wird mehr Strom erzeugt.

Das neueste Konzept besteht darin, dass mehrere Wechselrichter anstelle des „Master-Slave“-Konzepts ein „Team“ bilden, was die Systemzuverlässigkeit deutlich erhöht. Derzeit dominieren transformatorlose String-Wechselrichter.

3. Mikro-Wechselrichter

In einer herkömmlichen Photovoltaikanlage sind an den Gleichstromeingängen jedes Strangwechselrichters etwa zehn Photovoltaikmodule in Reihe geschaltet. Wenn bei zehn in Reihe geschalteten Modulen ein Modul nicht einwandfrei funktioniert, ist der gesamte Strang betroffen. Wird derselbe MPPT für mehrere Eingänge des Wechselrichters verwendet, sind alle Eingänge betroffen, was die Stromerzeugungseffizienz erheblich reduziert. In der Praxis können diese Faktoren durch verschiedene Verdeckungsfaktoren wie Wolken, Bäume, Schornsteine, Tiere, Staub, Eis und Schnee verursacht werden, und diese Situation kommt sehr häufig vor. In einer Photovoltaikanlage mit Mikrowechselrichter ist jedes Modul mit einem Mikrowechselrichter verbunden. Wenn eines der Module nicht einwandfrei funktioniert, ist nur dieses Modul betroffen. Alle anderen PV-Module arbeiten optimal, wodurch das Gesamtsystem effizienter wird und mehr Strom erzeugt. In der Praxis führt ein Ausfall des Strangwechselrichters zum Ausfall mehrerer Kilowatt Solarmodule, wobei die Auswirkungen des Ausfalls des Mikrowechselrichters relativ gering sind.

4. Leistungsoptimierer

Der Einbau eines Leistungsoptimierers in eine Solarstromanlage kann den Wirkungsgrad deutlich steigern und die Wechselrichterfunktionen vereinfachen, um Kosten zu senken. Für eine intelligente Solarstromanlage kann der Leistungsoptimierer jede Solarzelle optimal nutzen und den Batterieverbrauch jederzeit überwachen. Der Leistungsoptimierer ist ein Gerät zwischen Stromerzeugungsanlage und Wechselrichter und ersetzt die ursprüngliche Leistungspunktverfolgungsfunktion des Wechselrichters. Durch die Vereinfachung der Schaltung führt der Leistungsoptimierer eine extrem schnelle Leistungspunktverfolgung durch, wobei eine einzelne Solarzelle einem Leistungsoptimierer entspricht, sodass jede Solarzelle die optimale Leistungspunktverfolgung erreichen kann. Darüber hinaus kann der Batteriestatus jederzeit und überall durch den Einsatz eines Kommunikationschips überwacht und Probleme sofort gemeldet werden, damit das zuständige Personal sie schnellstmöglich beheben kann.

Die Funktion des Photovoltaik-Wechselrichters

Der Wechselrichter wandelt nicht nur Gleichstrom in Wechselstrom um, sondern maximiert auch die Leistung der Solarzelle und schützt vor Systemfehlern. Er verfügt über automatische Betriebs- und Abschaltfunktionen, eine Maximalleistungsregelung, eine Anti-Unabhängigkeitsfunktion (für netzgekoppelte Systeme), eine automatische Spannungsanpassung (für netzgekoppelte Systeme), eine Gleichstromerkennung (für netzgekoppelte Systeme) und eine Gleichstrom-Erdungserkennung (für netzgekoppelte Systeme). Hier finden Sie eine kurze Einführung in die automatischen Betriebs- und Abschaltfunktionen sowie die Maximalleistungsregelung.

(1) Automatischer Betrieb und Stoppfunktion

Nach Sonnenaufgang nimmt die Sonneneinstrahlung allmählich zu, und auch die Leistung der Solarzelle steigt. Sobald die vom Wechselrichter benötigte Ausgangsleistung erreicht ist, startet dieser automatisch. Nach Inbetriebnahme überwacht der Wechselrichter kontinuierlich die Leistung des Solarmoduls. Solange die Ausgangsleistung des Solarmoduls größer ist als die für den Wechselrichterbetrieb benötigte Leistung, läuft der Wechselrichter weiter. Bei Sonnenuntergang stoppt er, auch bei Bewölkung und Regen. Der Wechselrichter kann weiterhin betrieben werden. Wenn die Leistung des Solarmoduls abnimmt und die Leistung des Wechselrichters nahe Null liegt, wechselt er in den Standby-Modus.

(2) Maximale Leistungsverfolgungs-Steuerfunktion

Die Leistung eines Solarmoduls variiert mit der Intensität der Sonneneinstrahlung und der Temperatur des Moduls selbst (Chiptemperatur). Da die Spannung eines Solarmoduls mit steigendem Strom abnimmt, gibt es einen optimalen Betriebspunkt, an dem die maximale Leistung erzielt werden kann. Mit der Intensität der Sonneneinstrahlung ändert sich auch der optimale Betriebspunkt. Der Betriebspunkt des Solarmoduls liegt daher immer am maximalen Leistungspunkt, und das System erzielt stets die maximale Leistung. Diese Regelung wird als Maximum-Power-Tracking-Regelung bezeichnet. Wechselrichter für Solarstromanlagen zeichnen sich durch die Funktion des Maximum-Power-Point-Tracking (MPPT) aus.