INET-PV – Multifunktioneller Wechselrichter für Netz- und Inselbetrieb zur Einbindung unterschiedlicher AC- und DC-Quellen: Innovative Netzwechselrichtertopologien für kleine netzgekoppelte Photovoltaikanlagen

Steigende Strompreise und stark sinkende Einspeisevergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) veranlassen immer mehr Stromkunden zum Eigenverbrauch des selbst erzeugten Solarstroms. Um dies technisch einfach realisieren zu können, haben wir am Fraunhofer ISE einen hocheffizienten dreiphasiger Wechselrichter mit innovativer Topologie und drei multifunktionalen Eingängen entwickelt. Die Eingänge können wahlweise mit Solargenerator(en) und / oder Batterie(n) verbunden werden, so dass alle gängigen Modul- und Batterietypen (für Spannungen > 100 V) genutzt werden können. Dadurch hat der Nutzer ohne aufwendige Konfiguration des Wechselrichters die Möglichkeit, flexibel die DC-Quelle zu wählen. Ein optimierter Eigenverbrauch ist somit gewährleistet.

Um verschiedene Quellen in das System einzubinden und alle notwendigen Energieflüsse zu realisieren, wurde eine innovative Topologie entwickelt (Abb. 2). Durch die Überlastfähigkeit kann das System auch im Inselbetrieb genutzt werden. Zusätzlich haben wir eine Regelung mit automatischer Quellenerkennung für alle Betriebsmodi entwickelt. Der hochkompakte Demonstrator mit den Abmaßen 28,2 x 32 x 14,2 cm³ beinhaltet alle notwendigen Komponenten und Wandlerstufen. Hier wurden minimale Leerräume und Abstände zwischen den Bauteilen realisiert. Die Wandlerstufen haben wir mit Leistungsmodulen aus Siliciumkarbid (SiC)-Transistoren ausgeführt. Durch die so in allen Wandlerstufen erreichte Taktfrequenz von 48 kHz konnten platinenmontierbare Drosseln eingesetzt werden, die zu erheblichen Kostenvorteilen in der Produktion führen. Zusätzlich senkt die Baugrößenreduzierung der passiven Bauelemente den Ressourcenbedarf und damit auch die Systemkosten. Um Gewicht zu sparen wurde ein beidseitig nutzbares, aktives Kühlaggregat integriert, mit dem sowohl die AC- als auch die DC-Leistungsmodule kosten-, energie- und platzeffizient entwärmt werden können. Das Gesamtsystem hat ein Gewicht von weniger als 10 kg. Es besteht aus einer vierteiligen DC-Stufe mit drei Eingangsboostern und einer quasiresonanten Invertierstufe, einem Zwischenkreis und einer dreiphasigen Wechselrichterstufe mit 3-Level- Topologie. Die Einzelwirkungsgrade der Stufen liegen trotz der hohen Schaltfrequenz von 48 kHz jeweils bei 98,2 % (Abb. 3).