Julia Pinne Optimierung von PV-Wechselrichtern im Netzparallelbetrieb mithilfe analytischer PDF
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9 Elektrische Energiesysteme Julia Pinne Photovoltaik-Wechselrichter haben in den vergangenen Jahren eine große Bedeu- tung erlangt. Bei der Entwicklung künftiger PV-Wechselrichter liegt der Fokus auf e der Reduktion der Kosten bei gleichzeitiger Erzielung eines hohen Wirkungsgrads b ell ed Optimierung von PV-Wechselrichtern sowie geringem Gewichts und Bauvolumens. rio etm bs im Netzparallelbetrieb mithilfe analytischer DLeieis tEurnfgüsll sutnugf e dvieesrbeur nAdennfo, rdweorbuenig ie.dn. Ris. te iinne hVoiehlezamh l Mvoanß eT ompoitl odgieemn uDneds iBganu edleer- paralleleistung Verhaltens- und Verlustleistungsmodelle mente zur Auswahl stehen und der Entwickler folglich einer mehrdimensionalen etzstl Optimierungsaufgabe gegenübersteht. In der vorliegenden Arbeit wird ein com- Nu putergestütztes Design- und Optimierungsverfahren für leistungselektronische m Verl Konverter weiterentwickelt und validiert, welches den Entwickler bei der Lösung n id rn eu ebmbaitestinleudrniteg as eueifrn aemnr eaVhliyertdlizsimachhelen vnso iVnoe nLrahölaesulntn eOgnepsnt- i uminnineder Vurehnragluslbsa tuklefügirsaztebusent geusrn mtZeeorisdt temüllteözntg.l, i cDshao sdis atVs.e sr fdaiher Eenr- selrichtaltens- hh cr ee Das Verfahren wird anhand der Optimierung einer Wechselrichterstufe im mittleren WV Leistungsbereich demonstriert, mittels derer zudem die messtechnische Validie- PV-her rung des Verfahrens vorgenommen wird. Darüber hinaus erfolgt die Validierung n sc und Weiterentwicklung des Verfahrens für Schaltfrequenzen von bis zu 100 kHz. g voalyti nn ua ere Optimimithilf ISBN 978-3-86219-924-2 e n n Pi a uli J 9 9 783862 199242 Elektrische Energiesysteme Band 9 Herausgegeben vom Kompetenzzentrum für Dezentrale Elektrische Energieversorgungstechnik Optimierung von PV-Wechselrichtern im Netzparallelbetrieb mithilfe analytischer Verhaltens- und Verlustleistungsmodelle Julia Pinne kassel university press Die vorliegende Arbeit wurde vom Fachbereich Elektrotechnik / Informatik der Universität Kassel als Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieur- wissenschaften (Dr.-Ing.) angenommen. Erster Gutachter: Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Zacharias Zweiter Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Marcus Ziegler Tag der mündlichen Prüfung 10. Dezember 2014 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar Zugl.: Kassel, Univ., Diss. 2014 ISBN 978-3-86219-924-2 (print) ISBN 978-3-86219-925-9 (online) URN: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0002-39257 © 2015, kassel university press GmbH, Kassel www.uni-kassel.de/upress Druck und Verarbeitung: Print Management Logistics Solutions, Kassel Printed in Germany „Essentially,allmodelsarewrong,butsomeareuseful.“ GeorgeE.P.Box (1919–2013) VII Vorwort DieFertigstellungmeinerDissertationmöchteichzumAnlassnehmen,nochmalsalldenjeni- genmeinenherzlichstenDankauszusprechen,diemichwährendderArbeitanderDissertation begleitetundaufunterschiedlichsteWeiseunterstützthaben. Besonderer Dank gilt an erster Stelle meinem Doktorvater Herrn Prof. Dr. Peter Zacharias, LeiterdesFachgebietsElektrischeEnergieversorgungssystemeanderUniversitätKassel,für dieBetreuungunddieFörderungmeinerDissertation.DesWeiterendankeichHerrnProf.Dr. MarcusZieglerfürdieÜbernahmedesKorreferatessowieHerrnProf.Dr.AlbertClaudiund HerrnProf.Dr.LudwigBrabetzfürdieMitwirkunginderPrüfungskommission. Für die Möglichkeit zur Durchführung dieser Arbeit während meiner Tätigkeit als Entwick- lungsingenieurin beider SMASolar TechnologyAG möchteich meinenehemaligen Vorge- setztenMatthiasVictor,GerdBettenwort,RegineMallwitz,AngelikaLöningundKlausRig- bers danken. Letztgenanntem gebührt für die Anregung zu dem Thema und die zahlreichen fachlichenDiskussioneneinbesondererDank.EbensodankeichmeinenKollegen–vorallem TorstenSöderberg,ArtjomGruber,MarekRyłko,EugenSawadski,TomaszNapierala,Manuel Goethe-Rodriguez,JensFriebe,ThomasKühnundIoannisKompougias–fürdasangenehme ArbeitsklimaunddieguteZusammenarbeit,wodurchdieVerwirklichungdieserArbeitmaß- geblicherleichtertwurde. EinweitererDankgiltdenstudentischenMitarbeiternFrancisGnebehi,JohnKock,Christoph Puritscher,TobiasGädesowieMaherMajdoub,diedurchihrevonmirbetreutenAbschlussar- beitenbzw.alsstudentischeHilfskräftezumGelingenderArbeitbeigetragenhaben. EinenganzbesonderenDankmöchteichabschließendmeinemMannChristophSchmahlund meinerFamilieaussprechen,durchderenRückhaltundstetigeErmutigungesmirmöglichwar, dieseswichtigeZielinmeinemLebenswegzuerreichen. Kassel,imJanuar2015 JuliaPinne IX Kurzfassung DerstarkeZuwachsvondezentralenStromerzeugernauserneuerbarenEnergienhatindenver- gangenenJahrenzueinerZunahmevonleistungselektronischenKonverterninähnlichgroßem Umfanggeführt.DieAnforderungenandieKonverterwerdendabeiweitersteigen:Nebender BereitstellungvonnetzstützendenFunktionenbestehtaufgrunddergesunkenenEinspeisevergü- tungendieKostenreduktionbeidergleichzeitigenErzielungeineshohenWirkungsgradssowie geringemGewichtsundBauvolumensimMittelpunkt. DieErzielungderForderungennachgeringenKosten,niedrigemGewichtundBauvolumenbei zumindestgleichbleibendemWirkungsgradistdabeiengmitderWahlderKonverter-Topologie undderenBauelementenverknüpft.HierbeistehendemEntwicklereineVielzahlvonTopologi- enzurAuswahl,wobeijededieserTopologieninunterschiedlichstenKonfigurationenrealisiert werdenkann.FolglichstehtderEntwicklereinermehrdimensionalenOptimierungsaufgabege- genüber,zuderenLösungeinbestmöglicherKompromisszwischendenverschiedenen–sich möglicherweisegegenüberstehenden–Anforderungengefundenwerdenmuss. InderArbeitwirdeincomputergestütztesintegriertesDesign-undOptimierungsverfahrenfür leistungselektronische Konverter weiterentwickelt und validiert, welches den Entwickler bei derLösungebendiesermehrdimensionalenOptimierungsaufgabenunterstützt.DasVerfahren basiertaufanalytischenVerhaltens-undVerlustleistungsmodellen,sodassdieBerechnungund derVergleicheinerVielzahlvonLösungsmöglichkeiteninnerhalbkürzesterZeitmöglichist. BeidenbetrachtetenKonverternwirdderSchwerpunktaufdreiphasigePhotovoltaik-Wechsel- richtermitSpannungszwischenkreisundeinerLeistungvonbiszu30kWgelegt. ImerstenTeilderArbeitwirddieGrundstrukturVerfahrenserläutertundmitanderenausderLi- teraturbekanntenMethodenverglichen.DaraufaufbauendwirddieanalytischeVerhaltens-und VerlustleistungsmodellierungdesLeistungspfadesdargelegt,wobeiletztgenannterdieHalblei- ter, Drosseln und Zwischenkreiskondensatoren umfasst. Ein besonderes Augenmerk liegt in diesemZusammenhangaufdenDrosseln:NebenderUntersuchungverschiedenerKern-und Wicklungsmaterialien,derVerlustmechanismenundihreranalytischenModellierungwirdein OptimierungsverfahrenmittelsevolutionärerStrategienentwickelt,daseineeffektivereOpti- mierungderDrosselnhinsichtlichdesMaterialeinsatzesundderVerlustezulässt. Der Fokus des zweiten Teils der Arbeit liegt auf der Anwendung und Validierung des Ver- fahrens.DazuwerdenoptimierteDesignsderSechspuls-unddersog.BipolarSwitchedNeu- tralPointClamped-Topologieermitteltundsystematischmiteinanderverglichen.DasWechsel- richter-DesignmitdengeringstenVerlustenbeiminimalenKostenwirdschließlichalsDemons- tratoraufgebaut,anhanddessengezeigtwerdenkann,dassdiemodelliertenundgemessenen VerlustleistungeneineguteÜbereinstimmungaufweisen.DarüberhinauswirddasVerfahren für Schaltfrequenzen von bis zu 100 kHz mithilfe eines Hochsetzsteller-Aufbaus validiert – auch hier können die gemessenen Verlustleistungen mit einer hohen Genauigkeit modelliert werden.
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