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Prof. Dr. Christian Dick

Prof. Dr. Christian Dick

Informations-, Medien- und Elektrotechnik
Institut für Automatisierungstechnik (IA)

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  • Raum HW1-30
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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.

PhotovoltaikinverterZweistufige Konvertertopologie zur Einspeisung von solarelektrisch erzeugter Leistung (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.

AuszeichnungDie 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 KonvertertopologieDC-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.

KonvertercharakterisierungZeittransiente 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 KonvertertopologieDC-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.

KonverterplatineDC-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.

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