Zentralwechselrichter in der Photovoltaik

Mit weltweit steigendem Anteil der Photovoltaik an der Stromerzeugung nehmen kontinuierlich auch die Anforderungen an Wirtschaftlichkeit, Effizienz und Zuverlässigkeit der Komponenten zu. Um die Wirtschaftlichkeit weiter zu steigern, wird eine Erhöhung der maximalen DC-Systemspannung auf 1500 V angestrebt. Dieses reduziert die Ströme bei gleicher Leistung und damit den Materialeinsatz und die Verluste. Die Arbeit gibt die Antwort auf die Auswirkungen dieses Schrittes für den Wechselrichter: Der gewichtete Wirkungsgrad erhöht sich gegenüber dem Stand der Technik um 1,3 % bei gleichzeitiger Verringerung der Investitionskosten. Erreicht wird diese Verbesserung durch eine neu vorgestellte Topologie für Zentralwechselrichter: dem Doppelwechselrichter. Dieser erhöht die Ausgangsspannung bei gegebener DC-Spannung und erreicht damit eine deutliche Verringerung der Verluste. In einer Erweiterung der Topologie werden Spitzenwirkungsgrade von 99,2 % erreicht. Der Wirkungsgrad wird trotz des Einsatzes von ausschließlich kommerziell verfügbaren Silizium-Halbleitermodulen erreicht - auf die Verwendung von SiC-Halbleitern wird aus Kostengründen bewusst verzichtet. Auf dem Weg zur Bewertung des optimalen Wechselrichters werden bekannte Schaltungstopologien, die für den Einsatz als Zentralwechselrichter mit 1500 V in Frage kommen, verglichen, deren Eigenschaften herausgestellt und schließlich vorausgewählt. Die Ergebnisse der Arbeit basieren nicht nur auf theoretischen Betrachtungen, es werden zudem die Nachweise an Prototypen im Leistungsbereich von 100 - 432 kVA erbracht. Es werden Prototypen für die vorausgewählten Schaltungstopologien im realen Leistungsbereich ausgelegt, aufgebaut und auf ihre Praxistauglichkeit getestet. Anhand der Prototypen werden die theoretisch ermittelten Ergebnisse mit Messungen belegt.The growing share of solar energy on the worldwide power generation leads to high demands on the components in terms of economy, efficiency and reliability. For a better economy there is a demand for DC voltages up to 1500 V with the advantage of lower currents at same power. Lower current leads to reduced losses and costs of material. The impact on the inverter is answered in this work: There is an increase of 1.3 % in weighted efficiency, compared to the state of the art. Additionally, the initial costs of the inverter decrease. The improvement is reached by a new topology for solar central inverters. The topology is named "double inverter". At a given input voltage, the inverter increases the output voltage leading to a significant reduction in losses. In a further extension of the inverter, efficiencies up to 99.2 % are reached. The high value of efficiency is reached without using SiC-semiconductors - only commercially available semiconductor modules are used for the new topology. Before determining the most economic inverter, known topologies for solar central inverters up to 1500 V are compared and preselected. For the preselected topologies, design rules for semiconductors, capacitors and inductors are elaborated. The results of this contribution are not only given theoretically, but also proven by measurements on prototypes in the power range of 100 - 432 kVA. For the chosen topologies, prototypes are designed, built up and brought into operation.von Dipl.-Ing. Heiko Bach-Preckwinkel ; Erster Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Joachim Böcker, Zweiter Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Andreas BünteTag der Verteidigung: 18.01.2018Universität Paderborn, Dissertation, 201