HOCHFREQUENZ TRANSFORMATOR MIT TRAFOUMSCHALTUNG
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OPTIMALER WIRKUNGSGRAD UND FLEXIBEL EINSETZBAR HOCHFREQUENZ TRANSFORMATOR MIT TRAFOUMSCHALTUNG Eine der vielen Anforderungen an moderne Wechselrichter ist ein breiter, aufeinander abgestimmter Eingangsund MPP-Spannungsbereich mit einem annähernd konstant hohen Wirkungsgrad über den gesamten Arbeitsbereich des Wechselrichters. Um dieser Anforderung gerecht zu werden verfolgt Fronius bei dem Großteil seiner aktuellen Wechselrichter ein Konzept, bei dem ein Hochfrequenz Transformator (kurz HF-Trafo) eingesetzt wird. Dieser HF-Trafo besitzt auch eine sogenannte Trafoumschaltung, wodurch sich ein konstant hoher Wirkungsgrad über den gesamten Eingangsspannungsbereich ergibt. Nicht, wie oft fälschlich angenommen, der maximale Wirkungsgrad bei einer einzigen Spannung, sondern der annähernd konstant hohe Wirkungsgrad über den gesamten MPP-Spannungsbereich ist unter anderem für einen guten Jahresertrag verantwortlich. Der Fronius IG Plus sowie der Fronius CL bieten, aufgrund ihres umschaltbaren HF-Trafos, den maximalen Wirkungsgrad bei beinahe jeder zulässigen Stringlänge. Grundlagen Wechselrichterkonzepte Grundsätzlich gibt es drei verschiedene Wechselrichtertechnologien, welche nachfolgend kurz beschrieben werden: / Wechselrichter mit einem 50 Hz Transformator. / Wechselrichter ohne Transformator. / Wechselrichter mit Hochfrequenz (HF) Transformator. 50 Hz - Technologie Die anliegende DC-Spannung wird über eine Vollbrücke (S1...S4) zu einer 50 Hz Wechselspannung gerichtet. Diese wird dann über einen 50 Hz-Trafo übertragen und danach in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Vorteile: / Hohe Ausfallssicherheit durch wenig eingesetzte Bauteile. / Sicherheit durch galvanische Trennung der DC und AC Seite. Nachteile / Geringer Wirkungsgrad durch hohe Trafoverluste. / Hohes Gewicht und Volumen (z.B. durch 50 Hz Trafo). 04/2012 1/7 Trafolose Wechselrichtertechnologie Die anliegende Gleichspannung wird über eine Vollbrücke (S1...S4) zu einer rechteckförmigen 50 Hz Wechselspannung gerichtet, dann durch die Drosseln (L1+L2) auf sinusförmige 50 Hz Wechselspannung geglättet und in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Vorteile: / Kompakt und leicht durch Fehlen des Trafos. / Sehr hoher Wirkungsgrad (z.B. keine Trafoverluste). Nachteile: / Zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen (FI-Schutzschalter) nötig. In manchen Ländern ist es aus Sicherheitsgründen nicht erlaubt, keine galvanische Trennung zwischen DC und AC-Seite zu haben. / Aufwendiger Blitzschutz. / Nicht kompatibel mit Modulen die geerdet werden müssen (z.B. manche Dünnschichttechnologien oder rückseitenkontaktierte Zellen). HF-Technologie Diese Technologie vereinigt die Vorteile aus vorher genannten Technologien. Die Vollbrücke (S1...S4) generiert ein hochfrequentes Rechtecksignal mit 20 – 24 kHz, welches über den HFTrafo (Tr1) übertragen wird. Die Gleichrichterbrücke (D1...D4) wandelt das Rechtecksignal wieder auf eine Gleichspannung um, welche im Zwischenkreis (L1+C2) gespeichert wird. Eine zweite Vollbrücke (S5...S8) generiert dann eine 50 Hz Wechselspannung, welche durch die Drosseln (L2+L3) auf sinusförmige 50 Hz Wechselspannung geglättet und dann in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Vorteile: / Kompakt und leicht, da HF-Trafo sehr klein und leicht ist. / Hoher Wirkungsgrad durch Verringerung der Trafoverluste. / Sicherheit durch galvanische Trennung zwischen DC und AC-Seite. / Für alle Modultechnologien geeignet, da eine Modulerdung (positiv und negativ) möglich ist. 04/2012 2/7 Wirkungsgrad Trafoumschaltung In Abhängigkeit von der Eingangsspannung ergeben sich folgende Wirkungsgradverläufe bei den unterschiedlichen Technologien: 50Hz-Trafo ohne Trafo HF-Trafo ohne Umschaltung HF-Trafo mit Umschaltung DC Spannung Beim Wechselrichter mit 50 Hz-Trafo gibt es immer ein fixes Trafo-Übertragungsverhältnis zwischen Primärund Sekundärseite (DC und AC). Je höher die Eingangsspannung wird, desto niedriger wird der Wirkungsgrad. Dies hängt unter anderem mit dem Ausnutzungsgrad des Trafos zusammen, welcher bei höheren Spannungen sinkt, wodurch die Verluste größer werden. Bei einem trafolosen Wechselrichter muss die Solargeneratorspannung größer sein als die Amplitude der Netzspannung und daher liegt der höchste Wirkungsgrad, unter Einbeziehung von Toleranzen, bei einer Eingangsspannung von ca. 350 V. Diese ergibt sich durch die Netzspannung bei 230 V, wo die Scheitelspannung 325 Volt beträgt und zusätzlichen Halbleiterverlusten von ca. 10 V. Verlässt man diesen Bereich der Spannung wird ein Spannungshoch- bzw. Spannungstiefsetzer aktiv, welcher die Eingangsspannung auf den erforderlichen Wert anhebt oder senkt, wodurch sich der Wirkungsgrad verschlechtert. Beim HF-Trafo Konzept mit fixem Trafo-Übertragungsverhältnis sinkt der Wirkungsgrad ebenfalls mit höherer Eingangsspannung. Aber durch verändern des Trafo-Übertragungsverhältnisses (Trafoumschaltung) erreicht man, durch optimierten Ausnutzungsgrad des Trafos, mehrere Wirkungsgradspitzen und dadurch einen nahezu konstant hohen Wirkungsgrad über den gesamten Eingangsbereich. 04/2012 3/7 Grundlagen Trafoumschaltung In der Praxis kann man bei der Systemauslegung nur selten den Bereich der besten Wechselrichtereingangsspannung wählen, d.h. jenen Bereich wo der Umwandlungswirkungsgrad laut Datenblatt am besten ist. Für optimale Erträge bei jeder zulässigen Verschaltung ist es daher unbedingt notwendig, dass der Umwandlungswirkungsgrad über den gesamten Arbeitsbereich des Wechselrichters annähernd konstant hoch ist. Funktionsweise Der HF-Trafo besitzt auf der Primärseite drei Wicklungen (U1, U2 und U3). Je nach Eingangspannung wird eine andere Wicklung zur Übertragung verwendet, wodurch sich das Übertragungsverhältnis ändert. Bsp.: 230 - 280 V = U1, 280 – 370 V = U2, 370 - 500V = U3 Damit immer eine optimale Übersetzung gewährleistet ist, werden die Umschaltgrenzen mit der Ausgangsspannung verschoben (z.B. für die US-amerikanischen Netze). Primärseite U3 U2 U1 1.1 2.2 1.3 1.4 1.2 U Sekundärseite Tr1 2.1 Somit erreicht man, dass auf der sekundären Seite immer eine konstante Spannung (U) anliegt, die Übertragungsverluste minimiert werden und somit auch der Wirkungsgrad über den gesamten Spannungsverlauf konstant hoch ist. Bei jedem Schaltvorgang zwischen zwei Windungen wird die Leistung für kürzeste Zeit auf Null geschaltet, danach wird auf die nächste Windung geschaltet und schließlich wird die Leistung wieder eingeschaltet. Somit reduzieren sich die Schaltverluste auf nahezu Null. Vorteile der Trafoumschaltung Durch die Trafoumschaltung ergibt sich ein konstanter hoher Wirkungsgrad über den gesamten Eingangsspannungsbereich. Nicht der maximale Wirkungsgrad bei einer einzigen Spannung, sondern der annähernd konstante hohe Wirkungsgrad über den gesamten MPP-Spannungsbereich ist unter anderem für einen guten Jahresertrag verantwortlich. Der Fronius IG Plus sowie der Fronius CL bieten aufgrund Ihrer umschaltbaren HFTrafos den maximalen Wirkungsgrad bei beinnahe jeder zulässigen Stringlänge. Somit muss man bei der Planung nicht darauf achten, ob die Anlage mit hohen oder niedrigen Spannungen ausgelegt wird. Auch die Variation der Spannung durch unterschiedliche Temperaturverhältnisse während des normalen Betriebs wird durch die Trafoumschaltung ausgeglichen. Nachteil der Trafoumschaltung Wegen der Relaisschaltzeit ist bei der Umschaltung auf eine andere Trafowicklung eine kurze Pause (200 ms) notwendig, während dieses kurzen Zeitraumes steigt die Eingangsspannung in Richtung Leerlaufspannung, wodurch die sekundären Komponenten kurzzeitig eine höhere Spannung aushalten müssen. 04/2012 4/7 Details zur Trafoumschaltung Jedes Leistungsteil der Fronius IG Plus und Fronius CL Wechselrichterserie ist mit einem HF-Trafo ausgestattet, welcher unterschiedliche Übertragungsverhältnisse hat, die je nach Eingangsspannung aktiv werden. Es gibt drei unterschiedliche Bereiche mit drei unterschiedlichen Spannungsverhältnissen, wodurch die Fronius Wechselrichter mit HF-Trafo auch drei Wirkungsgradspitzen aufweisen. Damit wird über den ganzen Eingangsspannungsbereich ein konstant hoher Wirkungsgrad erzielt. Dies ist erstens bei der Planung wichtig, aber auch bei Veränderungen der Temperatur während des Betriebs der Anlage, da die Spannung der Module temperaturabhängig variiert. Beispiel Dünnschichtmodul Aufgrund des speziellen Aufbaus der Dünnschichtmodule besitzen sie im Vergleich zu kristallinen Modulen meist niedrigere Ströme und höhere Modulspannungen. Um nun in Kombination mit dem kleineren Füllfaktor vernünftige Stringlängen sowie Modulkombinationen zu ermöglichen, benötigt der Wechselrichter breite und aufeinander abgestimmte Eingangs- sowie MPP-Spannungsfenster mit einem annähernd konstant hohen Umwandlungswirkungsgrad über den gesamten Arbeitsbereich. Wegen der beschriebenen Moduleigenschaften ergeben sich im Vergleich zu kristallinen Modulen von vornherein nur wenige unterschiedliche Stringlängen innerhalb des Arbeitsbereichs eines Wechselrichters. Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft, dass bei einem Dünnschichtmodul mit einer Leerlauf- bzw. einer MPP-Spannung von 95 V bzw. 65 V und einem Arbeitsbereich des Fronius IG Plus von 230 V bis 500 V, drei unterschiedliche Stringlängen möglich sind. Aufgrund des Temperaturkoeffizienten der Module und dem betrachteten Temperaturbereich von -10°C bis +60°C ergeben sich je nach Stringlänge die dargestellten MPPBereiche: [%] Eingangsbereich Wechselrichter UMPP-Bereich Maximaler Umwandlungswirkungsgrad 100 98 UMPP-Bereich 4 Module UMPP-Bereich 5 Module UMPP-Bereich 6 Module 96 94 Trafoumschaltung 92 90 88 86 84 +60°C -10°C +60°C 260 290 320 -10°C +60°C -10°C 82 80 230 UMpp min 350 380 MPP-Spannung 410 440 470 500 600 U[V] UMpp UDC max max Man erkennt sehr gut, dass durch den konstant hohen Umwandlungswirkungsgrad eine Auslegung über den gesamten MPP-Spannungsbereich und somit mit allen unterschiedlichen Stringlängen machbar ist. 04/2012 5/7 Vergleicht man dies nun mit den anderen Wechselrichterkonzepten so erkennt man, dass meistens nur eine Stringlänge mit optimalem Wirkungsgrad möglich ist und andere Stringlängen zu erheblichen Wirkungsgradeinbußen und somit Ertragseinbußen führen. Bei einem Wechselrichter mit Transformator aber ohne Trafoumschaltung, welcher in nachfolgender Abbildung dargestellt ist, fällt der Wirkungsgrad mit steigender DC-Spannung über den gesamten MPP-Spannungsbereich des Wechselrichters. [%] Eingangsbereich Wechselrichter UMPP-Bereich Maximaler Umwandlungswirkungsgrad UMPP-Bereich n Module +60°C UMpp min -10°C UMPP-Bereich n+1 Module +60°C -10°C UMPP-Bereich n+2 Module +60°C MPP-Spannung -10°C UMpp UDC max max U[V] Somit hat man nur bei der Auslegung im unteren MPP-Spannungsbereich (roter Bereich) den höchsten maximalen Wirkungsgrad. Ein Wechselrichter mit einem Konzept ohne Transformator hat seinen optimalen Wirkungsgrad nur bei einer DC-Spannung. Für alle darunter oder darüber liegenden DC-Spannungen benötigt er einen Tief- oder Hochsetzer, was ebenfalls einen Wirkungsgradverlust bedeutet (siehe nachfolgende Abbildung). 04/2012 6/7 [%] Eingangsbereich Wechselrichter UMPP-Bereich Maximaler Umwandlungswirkungsgrad UMPP-Bereich n Module +60°C -10°C UMpp min UMPP-Bereich n+1 Module +60°C -10°C UMPP-Bereich n+2 Module +60°C MPP-Spannung -10°C UMpp UDC max max U[V] Dadurch liegt hier die optimale Stringlänge im mittleren MPP-Spannungsbereich (blauer Bereich). Die Benutzung des unteren oder des oberen MPP-Spannungsbereichs führt zu Ertragseinbußen. Zusammenfassung Neben den genannten Vorteilen bezüglich galvanischer Trennung und geringeren Trafoverlusten, haben die Fronius Wechselrichter mit HF-Trafo Technologie, durch die eingangsspannungsseitige Trafoumschaltung, über den gesamten Eingangsspannungsbereich einen nahezu konstant hohen Wirkungsgrad. Dadurch sind Sie, neben den kristallinen Modulen, auch sehr gut auf die Anforderungen von Dünnschichtmodulen ausgelegt und damit für alle Modultypen einsetzbar. Zeichen: 9.591 (ohne Leerzeichen) Wörter: 1.368 Rückfragehinweise: Redakteur: DI Jürgen Wolfahrt, +43 (664) 8502193, [email protected], Froniusplatz 1, 4600 Wels, Austria. Fachpresse: Mag. Andrea Schartner, +43 (664) 88536765, [email protected], Froniusplatz 1, 4600 Wels, Austria. 04/2012 7/7
