LSPW

• das PV-Modul besteht aus einem dotierten Halbleiter

  • dicke aber schwach dotierte p-Schicht (Mangel an Ladungsträgern)

  • dünne aber stark dotierte n-Schicht (Überfluss an Ladungsträgern)

• es bildet sich eine Raumladungszone an der Grenze von p- und n-Schicht, in der sich ein Gleichgewichtszustand der Ladungsträger einstellt (elektrisches Feld)

• trifft Licht einer bestimmten Wellenlänge auf das PV-Modul, werden Elektronen aus den Verbindungen (aus der Raumladungszone) getrennt und werden durch das elektrische Feld der Raumladungszone hin zu den äußeren Kontakten bis zum Verbraucher geleitet

• anschließend erfolgt die Rekombination der Ladungsträger

• Der Photonenstrom senkt die Diodenkennlinie nach unten ab

• Diodenkennlinie stellt die Dunkelkennlinie der Solarzelle dar

• schwarz: Solarzellenkennlinie

• rot: Leistungskennlinie einer Solarzelle

• steigende Temperatur senkt die Leistungsausbeute einer PV-Zelle

• Serienverschaltung von vielen Zellen inkl. Bypass-Dioden

• Strings werden parallel verschaltet und mit Stringdioden versehen

Vorteile:

• optimale Modulanpassung (individueller MPP-Tracker)

  -> keine Fehlanpassung, maximaler Energieertrag

• Kombination verschiedener Module möglich

• beliebige Anlagengröße (Ausbaubarkeit)

• modulweise Aus- und Rückbaubarkeit

• hohe Langzeiterträge (Modulalterung)

• keine aufwändige DC-Verkabelung

• keine String- und Bypassdioden nötig

• hohe Sicherheit durch „kleine“ Gleichspannung

• Unterdachmontage des Wechselrichters

• kleine Hausanlagen (< 5kVA)

• Fassadenanlagen

Nachteile:

• geringe Nennleistung

  -> niedriger Konverter-Wirkungsgrad

• klimatische Beanspruchung

  -> geringe Lebensdauer

• hoher Preis

• Erzeugung eines ein- oder dreiphasigen Wechselspannungssystems

• Lastmanagement

• kein MPP-Tracking ohne zusätzlichen Energiespeicher (nicht gewährleistet, dass die erzeugte Leistung vollständig von den Verbrauchern abgenommen wird)

• Hochsetzsteller regelt Zwischenkreisspannung

• Umwandlung des eingangsseitigen Gleichstroms in einen netzkonformen, ein- oder dreiphasigen Wechselstrom

• die Zwischenkreisspannung muss größer als der Spitzenwert der Netzspannung (√2 · 230 V ≈ 325 V) sein

• Maximierung der Energieumwandlung (MPP-Tracking)

• Überwachung der Netzseite

• Wechselrichter regelt Zwischenkreisspannung

• Zur Anpassung an verschiedene PV-Spannungen wird der PV-Generator durch einen DC/DC-Wandler (Hochsetzsteller: boost converter) belastet.

• Der Hochsetzsteller stellt die Spannung im DC-Link auf mindestens Wurzel 2 ∙ 230 V, z. B. 380 V

• Der Hochsetzsteller belastet den PV-Generator als elektronische Last und führt den PV-Generator in den und im Punkt max. Leistung (MPPT)

• Betriebsbereich von zwei Quadranten

• zur Aufmagnetisierung wird der Transistor geschaltet

• Freilauf (Abmagnetisierung) erfolgt über Diode

  -> Aus Sicht von Ua ist die Spule mit der Spannungsquelle in Reihe geschaltet, da die Spule den Strom weiter in die Richtung des Kondensators treibt. Demnach addieren sich die Spannungen Ue und UL auf und die resultierende Ausgangsspannung Ua wird größer

• Steuerung über PWM, Toleranzbandregler oder MPP-Tracker

  • Strom folgt einem dreieckförmigen Verlauf

Tiefsetzsteller Aufbau:

• Der DC/AC-Wandler (inverter) überführt die im Zwischenkreis anfallende Energie mit einer sinusförmigen Stromamplitude derart ins Netz, dass die DC-Link-Spannung konstant z. B. zu 380 V geregelt wird.

Im kontinuierlichen Betrieb ist die Ausgangsspannung ausschließlich vom Tastgrad und der Eingangsspannung abhängig, da für den Eingangsstrom ein kontinuierlicher Wert vorgegeben wird. Die benötigte Gleichung wird mithilfe des Induktionsgesetzes ermittelt. Wenn der Transistor eingeschaltet ist, ergibt sich die folgende Gleichung:

Wenn der Transistor ausgeschaltet ist, ergibt sich die folgende Gleichung:

a der Stromverlauf in einer Induktivität stetig ist, gilt:

Durch Umformung nach Ua ergibt sich die endgültige Formel für den Zusammenhang zwischen der Ein- und Ausgangsspannung in Abhängigkeit des Tastgrads:

• Bei der Nutzung von MOSFETs wird meist der MOSFET selbst geschaltet, wenn der Stromfluss durch die Bodydiode erfolgen soll, da der MOSFET eine geringere Durchlassspannung aufweist und daher weniger Verluste auftreten

• Das JK-Flipflop besitzt einen Clock-Eingang wodurch die Schaltzeitpunkte limitiert werden und ungewollte Schaltvorgänge, die beispielsweise durch Messrauschen verursacht werden, vermieden werden können

• Schaltfrequenz der angesteuerten Transistoren wird limitiert

• Dabei kann es in Verbindung mit einem Stromtoleranzbandregler passieren, dass die Toleranzbandgrenzen überschritten werden

• Zusammenschalten von zwei Brückenzweigen:

  -> Aus dem Zweiquadrantsteller (2QS) wird ein Vierquadrantsteller (4QS)

• für iL(t) > 0:

  • Magnetisieren über T1 und T4

  • Freilauf über T2 und T3 (oder Bodydioden)

• für iL(t) < 0:

  • Magnetisieren über T2 und T3

  • Freilauf über T1 und T4 (oder Bodydioden)

  -> Strom baut sich schneller ab

  -> Effizienzverluste durch zusätzliche Schaltvorgänge

• für iL(t)>0:

  • Aufmagnetisieren über T1 und T4 (wie bipolar)

  • Freilauf über T1 und T3 (oder D3) oder über T4 und T2 (oder D2)

• für iL(t)<0:

  • Aufmagnetisieren über T2 und T3 (wie bipolar)

  • Freilauf über T2 und T4 (oder D4) oder über T3 und T1 (oder D1)

  -> ein Transistor bleibt dauerhaft aktiv für gesamte Halbwelle

  -> weniger Schaltvorgänge, geringere Schaltverluste

  -> nicht ohne 50 Hz-Transformator oder andere Topologie (H5 oder HERIC) möglich, parasitäre Ableitströme führen zum Auslösen des RCDs in der Hausverteilung

  -> EMV-Vorteile

• Kapazität zwischen PV-Modul und dem geerdeten Dach

• treten bei unipolarer Taktung einer H4-Brücke auf (ohne netzseitigen Transformator)

  -> Spannungen gegen Erde (UDC+ und UDC-) springen beim Wechsel von der Aufmagnetisierung zur Abmagnetisierung mit der anliegenden Taktfrequenz der Halbleiterbauelemente (z. B. 16 kHz) zwischen zwei Spannungspegeln hin und her

  -> Impedanz der Kapazität gegen Erde wird niedrig und es fließen parasitäre Ableitströme

• führen zum Auslösen des RCDs in der Hausverteilung und trennen das PV-System vom Netz ab, sodass keine Energie mehr eingespeist werden kann

  -> Alternativen: bipolares Takten der H4-Brücke, H5- oder HERIC-Topologie, netzseitiger Transformator

• größter duty cycle und niedrigster Stromrippel bei Scheitelwert der Netzspannung

• niedrigster duty cycle und größter Stromrippel bei Nulldurchgang der Netzspannung

• unipolares Takten

• Mittelwertbildung erfolgt über netzseitigen LC-Filter

  • Spannungsglättung über Kondensator

  • Stromglättung über Spule

• unipolar (blau): Spannung wechselt von UDC zu 0V

• bipolar (grün): Spannung wechselt von UDC zu -UDC

• Toleranzbandregelung:

  • konstanter Wechselanteil des Ausgangsstromes (über Toleranzbandbreite eingestellt)

  • variable Schaltfrequenz der Transistoren, akustisch wahrnehmbar

    -> höchste Schaltfrequenz tritt im Nulldurchgang des Stromes auf

• PWM-Regelung:

  • variabler Wechselanteil des Stromes

    -> höchster Stromrippel tritt im Nulldurchgang des Stromes auf

  • Schaltfrequenz der Transistoren konstant (fest gewählt)

    -> in Realität wichtiger

• Die benötigten Schaltvorgänge und die daraus resultierenden Schaltverluste bleiben betragsmäßig gleich groß, egal wie viel Leistung ins Netz gespeist wird. Aufgrund der elektronischen Bauteile fällt ein gewisser Sockelbetrag an benötigter Leistung an. Somit ist der Wirkungsgrad bei höheren Leistungen besser, da die Verlustleistungen prozentual eine geringere Auswirkung auf die Leistungsbilanz haben.

Der Tastgrad a würde bei einer Eingangsspannung Ue = 500 V gegen 0 gehen, da die Einschaltdauer Tein minimal werden würde. Die Eingangsspannung wäre bereits groß genug für die benötigte Spannung am Wechselrichter und der Transistor bliebe dauerhaft ausgeschaltet. Die Zwischenkreisspannung UDC wäre demnach gleich der Eingangsspannung Ue.

• Hochsetzsteller durch MPP-Tracker geregelt

• Wechselrichter regelt Zwischenkreisspannung

• die halbe Zwischenkreisspannung fällt über die geöffneten Transistoren T5 und T4 bzw. T2 ab (sofern baugleich)

• H4-Brücke abmagnetisieren: Wechsel der Spannungsniveaus mit Schaltfrequenz der Transistoren (z. B. 16 kHz)

  • Impedanz des Kondensators zwischen Dach und PV-Modul wieder niederohmig

  • parasitäre Ableitströme, die zum Auslösen des RCDs in der Hausverteilung kommen

Bei einem vierblättrigen Rotor, steht zu einem Zeitpunkt ein Blatt vor dem Mast und die anderen 3 Blätter stehen frei. Das führt dazu, dass eine unsymmetrische Belastung auf den Rotor bzw. die Narbe einwirkt, die zu erheblich höheren mechanischen Belastungen führt.

• Luvläufer

  • gegen Wind

  • müssen mitgeführt werden

  • können gegen Turm schlagen

• Leeläufer

  • mit dem Wind

  • drehen selbstständig in Wind

  • können nicht gegen Turm schlagen

  • Schatten des Turms problematisch, da eine hohe Belastung auf die Flügel trifft und eine zusätzliche Lärmbelästigung entsteht

• Drallverluste

• Turbulenzen

• Profilverluste

• max. Leistungsbeiwert Cpmax = 50 %

• theoretischer Leistungsbeiwert nach Betz = 59 %

• Auftriebskraft FA

• Widerstandskraft FW

  • wirkt der Tangentialkraft FD entgegen

• Schubkraft FS

  • drückt auf Mast

• Tangentialkraft FD

  • führt zur Rotation

• Gesamtluftkraft FR

  • resultierende Kraft

• mehr Wind resultiert in einer größeren Drehzahl, was zu einer Erhöhung der Leistung führt

• es muss der MPP durch den Anstellwinkel gefunden werden

• Aktive Stall-Regelung: Bremsklappen ausfahren, um Strömungsabriss zu provozieren

• Passive Stall-Regelung: bauartbedingter Strömungsabriss ab gewisser Windgeschwindigkeit

• Pitch-Regelung

  • mehr Leistung bei höheren Windgeschwindigkeiten kann abgerufen werden

  • Leistung bleibt konstant auf dem maximalen Niveau

• Drehzahlbereich 0 … 𝑛N …

• Konverter mit Maschinen-Nennleistung (Kosten & Verluste)

• Regelung von P und Q

• feldorientierte Regelung

• Drehzahlbereich −30 % … 𝑛N … + 20 %

• Konverter mit reduzierter Leistung (Kosten & Verluste)

• Regelung von P und Q

• Notwendigkeit von Schleifringen

• DFIG: getrennte Wirk- und Blindleistungsregelung möglich

• Direkte Netzkopplung (dänisches Konzept)

  • Asynchrongenerator, der direkt auf das Stromnetz aufgeschaltet ist (der Strom muss daher die gleiche Frequenz haben wie das Netz)

  • Anlauf mit Schleifringen, Erhöhung der Rotorwiderstände

• Stall geregelte Rotorblätter

  • in kleinen Anlage im Kilowatt Leistungsbereich

  • wartungsarm und preiswert

  • Die Leistungsregelung erfolgt dabei wie folgt: Ab einer bestimmten Windgeschwindigkeit (und damit ab einer vorgegebenen Leistung, der Nennleistung) reißt die Strömung an den Rotorblättern ab. Der Strömungsabriss wird im Englischen mit Stall bezeichnet; man spricht daher bei dieser Art der Leistungsbegrenzung von Stall-Regelung.

• Die Frequenz des Stromes, den der Generator liefert, ist bei den drehzahlfesten WKA direkt von der Rotordrehzahl abhängig. Kann die WKA aufgrund ungünstiger Windverhältnisse diese Frequenz nicht einhalten, so wird die Netzankopplung abgeschaltet. Kann die vorgeschriebene Frequenz wieder geliefert werden, so wird die WKA "sanft" an das Netz geschaltet (z.B. über einen Thyristorsteller). Dadurch wird die WKA wie mit einem Dimmer "sanft" mit dem Stromnetz verbunden, sodass ein unerwünschter "Netzaufschaltstoß" ausbleibt.

vollgespeist:

• Synchrongeneratoren

• mit einem Wechselrichter, der 100 % der Leistung übernimmt

doppeltgespeist:

• Asynchrongeneratoren mit Schleifringläufer (höhere Kosten)

• direkt über den Stator ins Netz oder mit einem kleinen Wechselrichter

• ein Teil der elektrischen Leistung wird über den Frequenzumrichter des Rotors geleitet. Dafür wird der Schlupf im Generator genutzt

• großer Schlupf: die Verlustleistung (Schlupfleistung) wird über geeignete Umrichter wieder dem Leistungsfluss aus dem Stator zugeführt

• Der drehzahlvariable Betrieb einer WKA mit Synchrongenerator lässt sich realisieren über einen Frequenzumrichter mit Gleichstromzwischenkreis.

• Der vom Generator erzeugte Wechselstrom mit variabler Frequenz wird zunächst gleichgerichtet und dann über einen Wechselrichter ins Netz eingespeist.

• Diodengleichrichter: ungesteuerte B6-Brücke mit Dioden

• Hochsetzsteller vor Zwischenkreis notwendig

  • drehzahlgeregelt betrieben

• B6C-Brücke/Pulswechselrichter netzseitig

  • überführt überschüssige Energie aus dem Zwischenkreis in das 3-phasige Stromnetz

  • spannungsgeregelt betrieben

• MSC: MPP-Tracking mit feldorientierter Regelung des Drehmomentes und der Drehzahl

• LSC: Regelung der Zwischenkreisspannung

Ein Brems-Chopper schützt in einem DC-Zwischenkreis vor zu hohen Zwischenkreisspannungen. Er dient als Sicherheitsmechanismus im Fehlerfall, um die Elektronik vor Zerstörung zu bewahren, z. B. wenn bei einem DFIG die Netzseite ausfällt und der Rotor gebremst werden muss. Dazu schaltet ein Leistungshalbleiter beim Erreichen einer eingestellten Bremseinsatzspannung getaktet einen Widerstand.

• drehzahlvariabler Betrieb einer WKA

• Nenndrehzahl des Rotors darf bis zu 30 % abweichen

• Die Schlupfleistung der Maschine wird einerseits in das Netz, aber auch umgekehrt vom Netz in den Läufer gespeist

• übersynchroner Betrieb

  • Rotor dreht schneller als Netzfrequenz

  • Rotor gibt Leistung ab

• untersynchroner Betrieb

  • Rotor dreht langsamer als Netzfrequenz, über den Rotor wird eine Frequenz von den Umrichtern eingeprägt zur Magnetfeldbeeinflussung

  • Rotor nimmt Leistung auf

• Die vom Umrichter erzeugte Frequenz wird der Frequenz des Läuferdrehfeldes überlagert.

  • Frequenz bleibt, damit unabhängig von der Läuferdrehzahl konstant

• nur 30 % der Leistung über Umrichter, daher kann kleinere und günstigere Halbleitertechnik verwendet werden

• hoher Regelungsaufwand, aber Möglichkeit zur getrennten Wirk- und Blindleistungsregelung zur Netzstabilisierung

• RR: Rotorwiderstand

• fRK: elektrische Rotorfrequenz im Kipppunkt

• LS: Statorinduktivität

• Kennlinie der ASM über Rotorwiderstände verändert

• Änderung der Rotorfrequenz über Herausführen der Wicklungen über Schleifringe

  • Wechselrichter zur Bestromung der Rotorwicklungen

• die Statorfrequenz erhält man durch Addition von Rotorfrequenz und mechanischer Drehzahl

• Wird der Rotorstrom erhöht, steigt die Statorspannung

• Erhöht man bei konstantem Strom die Rotorfrequenz, steigt auch die Statorspannung.

• Die mechanische Rotordrehzahl und die Rotorfrequenz des Stroms addieren sich. Dadurch erhält man eine höhere Geschwindigkeit des Rotormagnetfeldes. Dies führt zu einer höheren Statorspannung.

• Liegen Generator- und Netzfrequenz nahe beieinander, verschiebt sich die Phasenlage von Netz und Generator gegeneinander

• Durch kleine Veränderungen in der Frequenz des Generators lässt sich die Phasenlage beeinflussen

• Der Rotorstrom beeinflusst die Höhe der Generatorspannung

• Liegt der Generator am Netz, sind Netz und Generatorspannung gleich.

• Ist der Generator nicht ans Netz geschaltet, unterscheiden sich die Spannungen in der Amplitude, Frequenz und Phasenlage.

• Die Welligkeit der Generatorspannung rührt aus der Regelung des Rotorstroms.

• Mit steigenden Drehzahlen sinkt die Leistungsaufnahme des LSC.

• Der LSC nimmt immer Leistung aus dem Netz auf.

• Die Netzwirkleistung kann im untersynchronen Betrieb auch negativ werden. Es wird dann Leistung dem Netz entnommen.

• Die Generatorleistung lässt sich unabhängig von der Drehzahl einstellen. (Es lässt sich eine variable Frequenz auf den Rotor einprägen, dadurch werden der Schlupf und die Ausgangsleistung größer, die Summe bleibt jedoch gleich)

• Bei steigenden Drehzahlen verringert sich die vom LSC aufgenommene Wirkleistung. Dadurch steigt auch die eingespeiste Netzwirkleistung.

• Der LSC kann im übersynchronen Betrieb auch Leistung ins Netz speisen.

• Mit steigenden Drehzahlen sinkt die Leistungsaufnahme des LSC.

• Die Netzwirkleistung kann im übersynchronen Betrieb auch negativ werden. Es wird dann Leistung dem Netz entnommen.

• Die Generatorleistung lässt sich unabhängig von der Drehzahl einstellen.

• Rotor wird mit Gleichstrom bestromt -> Dauermagnet

• DFIG verhält sich wie Synchrongenerator

• Die Wirkleistungsaufnahme des LSC sinkt mit steigender Generatorleistung und wird sogar negativ.

• fS: elektrische Statorfrequenz

• fR: elektrische Rotorfrequenz

• n: mechanische Drehzahl

• p: Polpaarzahl

• fS: elektrische Statorfrequenz

• fR: elektrische Rotorfrequenz

• n: mechanische Drehzahl

• p: Polpaarzahl

• fR: elektrische Rotorfrequenz

• fS: elektrische Statorfrequenz

• RR: Rotorwiderstand

• fRK: elektrische Rotorfrequenz im Kipppunkt

• LS: Statorinduktivität