Forschungsprojekt IFEC 2013: “Highly efficient microinverter for photovoltaic panels”
Zum fünften Mal in Folge nahm ein studentisches Team der TH Köln am zweijährigen internationalen Wettbewerb IEEE International Future Energy Challenge (IFEC) erfolgreich teil. Dieses Mal wurde eine Leistungselektronik aufgebaut, die eine solarelektrische Leistung von 500 VA in ein AC-Netz einspeisen und alternativ ein Inselnetz aufbauen und betreiben kann.
Von Studierenden des Instituts im Rahmen eines internationalen Wettbewerbs entwickelter Photovoltaikwechselrichter
(Bild: C. Dick, TH Köln)
Auf einen Blick
| Kategorie | Beschreibung |
|---|---|
| Forschungsprojekt | Highly efficient microinverter for photovoltaic panels |
| Leitung | Prof. Dr.-Ing. Christian Dick |
| Fakultät | Fakultät Informations- Medien und Elektrotechnik |
| Institut | Institut für Automatisierungstechnik |
| Beteiligte | Christian Dick, Jan Dreser, Andreas Kunze, Christoph Reuber, David Lauber, Christoph Engelhard, Sarah Gerngroß, Verena Schmitz, Patrick Deck, Holger Seufert, Ruhne Schmitz |
| Fördermittelgeber | PSMA, IEEE, FH Köln, Infineon Technology AG, Ferroxcube, Ferrite.de |
| Laufzeit | 06/2012 bis 07/2013 |
Die Optimierungsgrößen Kosten, Effizienz und Langlebigkeit wurden im März 2013 im Rahmen eines Workshops in Kalifornien vorgestellt und im Juli 2013 von einer internationalen Jury in Ohio bewertet. Dort wurde dem Studententeam der Preis „Best Control Implementation“ verliehen.
Die Studierenden gewannen den Preis für die beste Implementierung der Regelungstechnik
(Bild: C. Dick, TH Köln)
Der Solarwechselrichter ist als zweistufige Topologie, bestehend aus DC-DC Wandler und DC-AC Wandler, aufgebaut. Die Regelungs- und Modulationsaufgaben wurden in einem FPGA implementiert.
DC-DC Wandler
DC-DC Konvertertopologie
(Bild: D. Dick, TH Köln)
Der DC-DC Wandler hat zur Aufgabe, die Eingangsspannung galvanisch getrennt von 18 bis 40 V zur Zwischenkreisspannung von 400 V hochzusetzen. Zum Einsatz kommt eine resonante LLC-Topologie, die neben der klassischen Frequenzvarianz auch durch eine Phasenverschiebung der Eingangshalbbrücken gesteuert wird.
Zeittransiente Spannungs- und Stromverläufe sowie Spannungsübersetzungsverhältnis
(Bild: C. Dick, TH Köln)
DC-AC Wandler
Der DC-AC Wandler besteht aus einer Kombination von Superjunction MOSFETs, SiC Dioden und IGBT's.
DC-AC Konvertertopologie mit vierquadrantfähigen, gemischten IGBT / MOSFET Halbbrücken
(Bild: C. Dick, TH Köln)
Diese blindleistungsfähige Topologie ist mit SiC-Dioden ausgestattet. Dabei arbeiten die Si-MOSFETs hochfrequent, die Si-IGBT‘s bei Netzfrequenz. Die Netzfrequenz kann sowohl 50 Hz als auch 60Hz betragen.
DC-AC Wandler und Gleichrichter des DC-DC Wandlers
(Bild: C. Dick, TH Köln)
Steuerung und Regelung mittels FPGA
Als zentrale Steuer- und Regeleinheit wird das DE0-Nano Board von Terasic mit einem selbstentwickelten Board für die Visualisierung mittels LCD eingesetzt.
Dieses Board besitzt einen FPGA der Cyclone IV-Reihe von der Firma Altera. Er wird zur Pulsmustergenerierung, Modulation, Regelung und Weiterverarbeitung der Messwerte des Mikroinverters genutzt. Dabei wird besonders auf eine Kommunikation zwischen der ebenfalls im FPGA erstellten Nios II Soft Core CPU und den hardwarenahen VHDL-Blöcken Wert gelegt. Die Aufgaben des FPGAs sind im Detail: die Regelung der Konverterstufen, Netzsynchronisation mit PLL für den Inselbetrieb und MPP-Tracking.