Forschungsprojekt IFEC 2005: „Development of an interactive inverter system for PV-systems”

Projektidee und Aufgabe

Anfang 2004 wurde von der Power Electronics Society und der Industry Application Society des IEEE zusammen mit dem „National Renewable Energy Laboratory“ der USA der studentische Wettbewerb „Future Energy Challenge 2005“ angekündigt. Für die Teilnahme an diesem Wettbewerb konnten sich Studententeams aus aller Welt bewerben. Als Aufgabe wurde die Entwicklung und der Aufbau eines interaktiven Wechselrichters für Anwendungen in der Photovoltaik gestellt. Hierzu wurden herausfordernde Spezifikationen vorgegeben, die in der folgenden Liste zusammengestellt sind.

• Eingangsspannung: 30V ... 60V DC
• Potentialtrennung
• Ausgangsleistung 1kW
• Betrieb mit Netzeinspeisung
• Inselbetrieb
• Erzeugung stabilisierter sinusförmiger Spannungen: 220V/50Hz 110V/60Hz
• Sinusförmige Netzeinspeisung für 220V/50Hz und 110V/60Hz
• Automatische Netzsynchronisation
• Gewicht < 3kg
• Volumen < 7.5 Liter
• Wirkungsgrad η > 90 %
• Materialkosten < 200 US $ ( 100k /a)

H. van der Broeck, TH Köln

Teamzusammenstellung und Projektstart

Die Ausschreibung des Wettbewerbes wurde von den späteren Betreuern der Studentengruppe in ihren Vorlesungen sowie durch Aushänge in der RWTH Aachen und der FH Köln bekannt gemacht. Hierauf hin meldeten sich insgesamt 14 interessierte Studenten an beiden Hochschulen, die in ein gemeinsames Team aufgenommen wurden. Damit konnte für die Teilnahme am Wettbewerb eine hochschulübergreifende Zusammenarbeit auf Studentenebene geschaffen werden.

H. van der Broeck, TH Köln

Als gemeinsame Betreuer des Studententeams standen Prof. Rik De Doncker und Dipl. Ing. Ch. Dick von der RWTH Aachen sowie Prof. Heinz van der Broeck und Ait El Hend M.Sc. von der FH Köln zur Verfügung. Zunächst wurden ausführliche Bewerbungsunterlagen erstellt und zum IEEE geschickt, die neben den Namen der Studenten eine Übersicht der vorhandenen Laborinfrastruktur, sowie die finanzielle und personelle Unterstützungsmöglichkeiten der Hochschulen und Institute beinhaltete.

Nachdem die Bewerbung erfolgreich verlief, konnte im Sommer 2004 mit der Bearbeitung des Projekts begonnen werden.

Die verschiedenen Aufgaben für die Entwicklung des interaktiven Wechselrichters wurden in einzelne Arbeitspakete aufgeteilt und den Studenten nach vorhandener Kenntnis und speziellem Interesse zugeordnet. Dabei wurde darauf geachtet, dass die Studenten durch die Bearbeitung der zugeteilten Aufgaben auch Prüfungsleistungen erbringen konnten (z.B.: Studien- oder Diplomarbeit)

Entsprechend den Vorgaben der Organisatoren wurden die Studenten des Wettbewerbs in vielfältiger Weise gefördert:

• Besuch der intern. Fachkonferenz „IEEE Power Electronics Specialists Conference 2004 in Aachen (alle Studenten)
• Besuch der intern. Fachkonferenz „ IEEE Industry Application Annual Meeting 2004“ in Seattle/USA (1 Student)
• Besuch der Fachmesse „Electronica 2004“ in München (5 Studenten)

Projektdurchführung

Innerhalb der Entwicklung des Konverters haben die Studenten zunächst ihre erarbeiteten Konzepte mit Hilfe von Simulationsprogrammen überprüft und anschließend kleine Labormodelle aufgebaut, um ihre Theorien zu bestätigen und Probleme der Praxis zu studieren und zu lösen. Danach erfolgte die Auslegung der eigentlichen Leistungsstufen unter Verwendung industriell gefertigter Platinen, die von den Studenten selber entworfen wurden. Die Platinenlayouts der im interaktivem Wechselrichter eingesetzten Systemteile wurden mehrfach überarbeitet. In den meisten Fällen wurde die dritte Generation eingebaut. Die Fortschritte im Wettbewerb wurden regelmäßig in Berichten zusammengefasst und einem internationalen Gutachtergremium zugeschickt.
Aufgrund des „Final Progress Reports“ von Mai 2005 erfolgte die Auswahl der Teilnehmer am Abschlusswettbewerb in Colorado. Eingeladen wurden Studentengruppen aus den USA(3), Australien(1), Südkorea(1), Brasilien(1) und Deutschland(1). Das gemeinsame Team aus Köln und Aachen war damit die einzige Teilnehmergruppe aus Europa.

Topologie

Das Köln-Aachener Studententeam hat seinen interaktiven Wechselrichter mit drei
Leistungsstufen aufgebaut.

H. van der Broeck, TH Köln

Mit Hilfe eines dualen Hochsetzstellers wird aus der variablen Gleichspannung von 30V bis 60V eine stabilisierte Gleichspannung von 80V gebildet. Gleichzeitig dient der Hochsetzsteller zur geregelten Stromentnahme aus den Photovoltaikzellen. Zur Potentialtrennung und Erhöhung der Gleichspannung kommt ein Serienresonanzkonverter zum Einsatz. Dieser erzeugt die Eingangsspannung des Pulswechselrichters von ca. 400V DC. Der Pulswechselrichter wurde mit einer Transistorbrücke und LC Filtern aufgebaut. Diese können durch Parallel- und Serienschaltung für eine Wechselspannung von 220V oder 110V konfiguriert werden. Somit wird eine Überdimensionierung vermieden. Die komplette Regelung erfolgt mit dem Mikrokontroller ADuC7026. Hiermit wird der gesamte Wechselrichter gesteuert und die Ausgangsspannungen bzw. die Ausgangsströme werden über die Pulsweitenmodulationsausgänge des ADuC7076 geregelt.

S. Prousch, TH Köln

Dank eines enormen Arbeitseinsatzes der Studierenden und vielfältiger Unterstützung durch die beteiligten Labors ist es dann auch gelungen, den Wechselrichter mit nahezu allen Funktionen rechtzeitig fertigzustellen.

H. van der Broeck, TH Köln

Über die Schalter auf der Frontplatte kann man sowohl den Netz- oder den Inselbetrieb auswählen als auch das europäische (220V/50Hz) oder das amerikanische Netz (110V/60Hz) einstellen. Für die Tests im Wettbewerb mußte im Netzbetrieb eine definierte Leistung eingespeist werden.

Finale in den USA

Dank der Unterstützung der Hochschulen konnte Prof. Heinz van der Broeck mit 6 Studierenden in die USA fahren. Dort wurden die Ergebnisse des Projektes von den Studenten vorgestellt. Außerdem wurden die Endberichte begutachtet und die Hardware zahlreichen Tests unterworfen. Innerhalb der Test fiel das Gerät leider aufgrund eines unvorhersehbaren Isolationsfehlers zum geerdeten Gehäuse im Netzbetrieb aus. Dennoch wurden die Arbeiten der Studenten von der Jury sehr positiv bewertet. So erhielt das Team Auszeichnungen für die beste technische Dokumentation und die beste Vortrags-Präsentation. Dies war mit einem Preisgeld von insgesamt 4000 $ verbunden.